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電動攪拌器在鋰電池正極材料漿料混合過程中的工藝優化

更新時間：2025-09-24 點擊次數：159

摘要

鋰電池正極材料漿料的混合均勻性、分散穩定性直接決定極片涂覆質量與電池電化學性能。本文以電動攪拌器為核心設備，針對三元材料（NCM）與磷酸鐵鋰（LFP）兩種主流正極體系，系統研究攪拌轉速、攪拌時間、槳葉結構及固液混合順序對漿料黏度、顆粒分散度、極片面密度均勻性的影響，通過單因素變量法與正交實驗確定工藝參數。結果表明：適配特定正極材料的攪拌工藝可使漿料分散度提升 25% 以上，極片面密度波動控制在 ±3% 以內，為鋰電池正極漿料規模化生產提供技術支撐。

1 引言

正極材料作為鋰電池能量密度的核心載體，其漿料混合過程需實現活性物質（如 NCM811、LFP）、導電劑（炭黑、碳納米管）、粘結劑（PVDF、PAA）在溶劑（NMP、去離子水）中的均勻分散。傳統電動攪拌工藝易因參數匹配不當導致顆粒團聚、粘結劑包裹不均，進而引發極片開裂、容量衰減等問題。據行業數據統計，約 15% 的鋰電池性能失效源于漿料混合工藝缺陷。因此，基于電動攪拌器的工藝優化，對提升鋰電池一致性與循環壽命具有重要現實意義。

2 實驗方案

2.1 實驗材料與設備

正極材料：NCM811（粒徑 D50=8μm）、LFP（粒徑 D50=12μm）；

輔助材料：炭黑（Super P）、碳納米管（CNT，直徑 10-15nm）、PVDF（分子量 120 萬）、NMP（分析純）；

核心設備：數顯式電動攪拌器（轉速范圍 0-3000r/min，可更換槳葉類型：推進式、錨式、渦輪式）、激光粒度儀（ Mastersizer 3000）、旋轉粘度計（NDJ-5S）、極片面密度測試儀（XY-100）。

2.2 實驗設計

采用 “單因素變量法 + 正交實驗" 組合方案，以漿料分散度（顆粒團聚率≤5%）、黏度穩定性（24h 黏度變化率≤10%）、極片面密度均勻性為評價指標，重點研究以下變量：

攪拌轉速：500-2500r/min（梯度 500r/min）；

攪拌時間：30-180min（梯度 30min）；

槳葉類型：推進式（軸向流）、錨式（徑向流）、渦輪式（復合流）；

混合順序：先固后液（活性物質 + 導電劑預混合后加溶劑）、先液后固（溶劑 + 粘結劑溶解后加固體顆粒）。

3 工藝優化結果與分析

3.1 攪拌轉速對混合效果的影響

不同正極材料因密度、粒徑差異，對攪拌轉速的需求存在顯著差異：

NCM811 體系：當轉速低于 1000r/min 時，漿料中炭黑團聚率超過 15%，黏度波動達 25%；轉速提升至 1500-2000r/min 時，顆粒分散度（團聚率 3.2%），但轉速超過 2000r/min 后，攪拌產生的剪切力過強，導致 PVDF 分子鏈斷裂，24h 黏度下降 18%，影響后續涂覆；

LFP 體系：因 LFP 密度更高（2.6g/cm3 vs NCM2.0g/cm3），需更高轉速突破顆粒沉降阻力，轉速范圍為 1800-2200r/min，此時漿料分散度達 94.5%，面密度波動控制在 ±2.8%。

3.2 攪拌時間與槳葉類型的協同優化

攪拌時間：NCM 體系在 120min 時達到最佳混合狀態，繼續延長時間，漿料黏度無明顯提升但能耗增加 30%；LFP 體系因顆粒分散難度大，攪拌時間為 150min，此時導電網絡構建最完整，極片電阻率降至 8.5mΩ?cm；

槳葉類型：渦輪式槳葉憑借軸向 + 徑向復合流場，對兩種體系均表現出適配性 —— 相較于推進式槳葉，NCM 漿料分散度提升 18%，LFP 體系黏度穩定性提升 22%；錨式槳葉因攪拌死角大，僅適用于低固含量（≤40%）漿料混合。

3.3 混合順序的優化驗證

實驗表明 “先液后固" 混合順序更優：先將 PVDF 在 NMP 中攪拌 60min 至溶解（轉速 800r/min），再加入 NCM/LFP 與導電劑混合，可避免固體顆粒包裹未溶解的粘結劑形成 “硬團聚"。對比 “先固后液" 順序，NCM 漿料團聚率降低 21%，LFP 體系極片面密度均勻性提升 15%。

4 工業應用建議

參數適配：NCM 體系推薦攪拌參數為 “渦輪式槳葉 + 1800r/min 轉速 + 120min 時間 + 先液后固"；LFP 體系推薦 “渦輪式槳葉 + 2000r/min 轉速 + 150min 時間 + 先液后固"；

設備改進：工業級攪拌器可增設槳葉高度調節裝置（建議槳葉距罐底距離為罐徑 1/3），減少底部沉淀；同時加裝溫度控制系統，避免攪拌剪切熱導致溶劑揮發（控制混合溫度 25-30℃）；

質量監控：每批次漿料需檢測黏度（NCM 體系控制 3000-5000mPa?s，LFP 體系 4000-6000mPa?s）與顆粒分散度，確保滿足極片涂覆要求。

5 結論

通過優化電動攪拌器的轉速、時間、槳葉類型及混合順序，可有效解決鋰電池正極材料漿料混合過程中的分散不均問題。針對 NCM 與 LFP 體系的差異化工藝參數，能顯著提升漿料穩定性與極片質量，為鋰電池工業化生產提供可落地的技術方案。后續研究可結合計算流體動力學（CFD）模擬，進一步優化攪拌流場分布，降低能耗并提升混合效率。