Thiết bị trộn và chế biến bột dùng pin: Hướng dẫn lựa chọn thực tế

Khi công thức pin ở quy mô thí điểm chuyển sang sản xuất, lô đầu tiên thường thất bại không phải do hóa chất mà do sự trộn lẫn. Chất bùn trông mịn màng trong thùng chứa 20 lít trong phòng thí nghiệm thoát ra từ thùng 1.000 lít có chất kết tụ, không khí bị mắc kẹt và độ nhớt thay đổi theo từng mẻ. Nguyên nhân cốt lõi hầu như luôn là do thiết bị không phù hợp: bột được xử lý bằng máy móc không được thiết kế cho kích thước hạt, độ nhớt hoặc độ nhạy cắt của nó. Bài viết này giải thích cách lựa chọn thiết bị xử lý và trộn bột pin trong thực tế công nghiệp, điều gì xảy ra ở từng giai đoạn quy trình và thông số kỹ thuật nào quan trọng nhất trước khi bạn đầu tư vào dây chuyền sản xuất.

Quá trình xử lý và trộn bột pin liên quan gì

Sản xuất pin được chia thành hai hoạt động cơ bản khác nhau: xử lý bột khô và trộn bùn ướt. Quá trình xử lý khô bao gồm việc tiếp nhận, lưu trữ, vận chuyển và trộn vật liệu hoạt động (NCM, LFP, than chì, vật liệu tổng hợp silicon-cacbon), cacbon dẫn điện và bột kết dính. Quá trình trộn ướt bắt đầu khi dung môi (NMP hoặc nước) được thêm vào và tiếp tục qua quá trình làm ướt, phân tán, nhào và khử khí cho đến khi hỗn hợp sệt sẵn sàng để phủ.

Kết luận chung cho mọi dòng sản phẩm thành công rất đơn giản: trộn khô thiết lập sự phân bổ ban đầu của các thành phần, trong khi trộn ướt xác định chất lượng phân tán cuối cùng. Không giai đoạn nào có thể bù đắp hoàn toàn cho công việc kém cỏi ở giai đoạn kia.

• Trộn khô: đồng nhất các thành phần bột trước khi thêm dung môi; mục tiêu chung là RSD dưới 5% đối với việc phân phối cacbon dẫn điện và chất kết dính.
• Làm ướt: đưa dung môi vào để chất lỏng thay thế không khí trên bề mặt hạt; chất lượng làm ướt quyết định tốc độ phân hủy các chất kết tụ.
• Phân tán: áp dụng lực cắt để giảm chất kết tụ về phía các hạt sơ cấp; độ mịn cuối cùng thường được kiểm tra bằng thước đo Hegman.
• Khử khí: loại bỏ bong bóng trong chân không; không khí bị mắc kẹt gây ra lỗ kim và độ xốp sau khi phủ.
• Điều chỉnh cuối cùng: thêm dung dịch dung môi hoặc chất kết dính để đạt được độ nhớt và hàm lượng chất rắn của lớp phủ.

Những hoạt động này hiếm khi xảy ra trong một máy trừ khi thiết bị được thiết kế đặc biệt như một đơn vị xử lý kết hợp.

Kết hợp thiết bị với từng giai đoạn của quy trình

Xác định nhiệm vụ trước khi chọn máy. Độ nhớt, yêu cầu cắt, mức chân không và kích cỡ lô mỗi loại liên quan đến một loại thiết bị trộn và xử lý bột pin khác nhau.

Trộn bột khô: máy trộn ruy băng và hình nón

Đối với vật liệu hoạt tính trộn trước với cacbon dẫn điện và chất kết dính khô, máy trộn ruy băng hoặc máy trộn hình nón là lựa chọn thực tế vì nó để bề mặt bột lớn chuyển động nhẹ nhàng mà không phá hủy hình dạng hạt. Máy trộn ruy băng chân không loại V bổ sung thêm chân không, giúp hạn chế độ ẩm cho bột hút ẩm. Thực tiễn sản xuất cho thấy rằng 15 đến 30 phút trộn thường là đủ để đạt RSD dưới 5% đối với các chất phụ gia được định lượng phù hợp. Điều quan trọng tại thời điểm mua là thiết kế xả, tỷ lệ làm đầy và mức độ dễ dàng làm sạch máy giữa các lô.

Máy trộn ruy băng chân không loại V dòng TOPH2031 Máy trộn này kết hợp trộn chân không kiểu chữ V với thiết kế dạng ruy băng, mang lại khả năng luân chuyển bột nhẹ nhàng, thu hút độ ẩm thấp và xả hiệu quả, khiến nó trở thành giải pháp trộn trước đáng tin cậy cho vật liệu pin hút ẩm. Xem sản phẩm →

Trộn bùn có độ nhớt cao: máy trộn hành tinh đôi chân không

Bùn catốt trong NMP thường đạt 5.000 đến 50.000 mPa·s và các công thức chịu tải cao vượt quá 100.000 mPa·s. Với tính nhất quán đó, một máy khuấy đầu vào thông thường tạo ra một kênh chuyển động xung quanh trục trong khi các vùng chết vẫn ở trên tường. Một máy trộn hành tinh kép quay hai máy khuấy xung quanh bể trong khi chúng cũng quay trên trục của chính chúng, liên tục định hướng lại dòng chảy và buộc mọi phần bùn đi qua các lưỡi dao. Kết hợp với nắp chân không và máy cạo tường, đây là cấu hình mà hầu hết các dây chuyền sản xuất sử dụng để phân tán cuối cùng các hỗn hợp bùn NCM và LFP.

Máy trộn hành tinh đôi công nghiệp LGXJ dòng TOPH2014 Được thiết kế cho các loại bùn có độ nhớt cao lên tới 3.000.000 cP, máy trộn hành tinh kép công nghiệp này có máy khuấy kép và trục phân tán tốc độ cao, khiến nó trở thành lựa chọn cấp sản xuất để phân tán cuối cùng các loại bùn pin NCM và LFP. Xem sản phẩm →

Kiểm soát độ phân tán và độ mịn: máy phân tán tốc độ cao

Không phải mọi bùn đều cần nhào hành tinh. Bùn anode gốc nước ở tốc độ 2.000 đến 5.000 mPa·s thường được phân tán thành công bằng bộ phân tán tốc độ cao, trong đó lưỡi răng cưa tạo ra lực cắt cao ở vành của nó. Máy phân tán cũng hữu ích như một bước trộn trước trước chu kỳ hành tinh, làm ướt bột nhanh chóng. Quy tắc thực tế: nếu vật liệu nhạy cảm với lực cắt và đạt được độ mịn mục tiêu trong vài phút, hãy sử dụng bộ phân tán; nếu vật liệu có độ nhớt cao hơn và cần thời gian lưu trú lâu hơn trong chân không, hãy sử dụng máy hành tinh.

Đường cong phân tán so sánh máy trộn hành tinh kép chân không với máy khuấy một trục thông thường cho cùng một công thức NCM; các giá trị đại diện cho kích thước kết tụ điển hình D50 trong quá trình trộn.

Bộ phân tán tốc độ cao FL dòng TOPH51 Bộ phân tán tốc độ cao này xử lý các vật liệu lỏng và rắn-lỏng với độ hấp thụ không khí tối thiểu, cho phép hòa tan nhanh và phân tán hạt mịn trên các lớp phủ, thuốc nhuộm, bột màu và chất kết dính, bổ sung cho các máy trộn hành tinh cho các bước trộn trước có độ nhớt thấp hơn. Xem sản phẩm →

Sơ lược về độ nhớt điển hình

Biểu đồ dưới đây xếp các họ bùn điển hình vào pin theo thang logarit vì độ nhớt trải dài theo nhiều bậc độ lớn.

Giá trị độ nhớt là phạm vi sản xuất điển hình cho hệ thống bùn pin, được đo ở điều kiện tham chiếu cắt thấp.

Thông số kỹ thuật quyết định mua hàng

Trên thực tế, ngân sách hiếm khi là yếu tố quyết định; các thông số kỹ thuật trông có vẻ nhỏ trong quá trình đàm phán sẽ trở thành những lỗi nghiêm trọng trong quá trình vận hành. Bốn điểm kiểm tra đáng được quan tâm trong mọi RFQ.

Đối với các dây chuyền có quy mô từ thí điểm đến sản xuất, việc điều chỉnh trường dòng chảy cũng quan trọng như việc điều chỉnh thể tích tàu. Nhiều nhà cung cấp sử dụng phân tích động lực học chất lỏng tính toán (CFD) để dự đoán các biên dạng vận tốc, vùng chết và phân bố lực cắt trước khi chế tạo; công cụ tương tự hỗ trợ mở rộng quy mô khi tàu sản xuất lớn hơn đơn vị thí điểm vài lần.

Khi đánh giá các nhà cung cấp cho một nhà máy nguyên liệu pin mới, hãy yêu cầu tài liệu tham khảo từ các cơ sở lắp đặt có công thức tương tự. Điểm khởi đầu hữu ích là xem xét cách hoạt động của thiết bị trộn trong tài liệu dây chuyền dự án ngành công nghiệp pin lithium , bởi vì công thức nấu hỗn hợp bùn khác nhau đáng kể giữa các nhà sản xuất pin.

Giải phẫu của máy trộn hành tinh chân không

Sơ đồ dưới đây cho thấy một máy trộn hành tinh đôi chân không điển hình dành cho bùn ắc quy có độ nhớt cao. Việc so sánh cách bố trí các bộ phận giúp đọc báo giá dễ dàng hơn vì các nhà cung cấp khác nhau chủ yếu về cách sắp xếp bộ truyền động, thiết kế cạp và chất lượng phốt chân không.

1. Vỏ chân không
2. Cổng sạc chân không và bột
3. Trục truyền động hành tinh kép
4. Mái chèo kiểu khung
5. Máy cạo tường
6. Thân tàu có áo khoác
7. Van xả đáy

Hai trục quay quanh tâm tàu và trên trục của chính chúng. Chuyển động kép đó giữ cho khối bùn 100.000 mPa·s chuyển động thay vì quay thành một khối duy nhất.

Danh sách kiểm tra lựa chọn thực tế

Sử dụng danh sách này khi sàng lọc thiết bị trộn và xử lý bột pin; nó tiết kiệm thời gian cho cả người mua và nhà cung cấp.

• Xác định bột ban đầu: mật độ khối, kích thước hạt D50, độ nhạy ẩm và góc nghỉ.
• Xác định điểm cuối của bùn: độ nhớt mục tiêu, hàm lượng chất rắn, độ mịn và giới hạn nhiệt độ.
• Xác nhận nhiệm vụ ở mức độ nhớt cao nhất trong quá trình làm ướt, không phải ở độ nhớt trung bình của hỗn hợp sệt cuối cùng.
• Kiểm tra khả năng chân không và liệu thiết kế phốt có chứa hơi dung môi hay không.
• Xác minh quyền truy cập làm sạch để chuyển đổi sản phẩm nhanh chóng, đặc biệt là khi chuyển đổi hóa chất cực âm.
• Yêu cầu dữ liệu mở rộng quy mô từ máy thí điểm nếu nhà máy của bạn có khối lượng sản xuất mới.

Câu hỏi thường gặp

Câu trả lời nhanh cho các câu hỏi thường gặp nhất trong các dự án trộn bùn pin.