مقارنة بين عملية الخلط خطوة بخطوة وعملية الخلط لمرة واحدة

فيما يتعلق بطريقة تحضير ملاط ​​بطارية الليثيوم ، فقد جرب الباحثون عمليات فصل مختلفة. أثبتت الاختبارات أن عملية فصل الألياف للتغذية المتدرجة أعلى بكثير من عملية فصل الألياف لمرة واحدة. يقوم هذا الورق بإجراء مقارنة مفصلة بين عملية فصل الألياف ذات الخطوة الواحدة وعملية فصل الألياف لمرة واحدة. تظهر عمليتا فصل الألياف في الشكل 1. (أ) هي عملية فصل الألياف لمرة واحدة ؛ (ب) هي عملية فصل الألياف خطوة بخطوة.

الشكل 1. عمليتا خلط مختلفتان

عملية الخلط لمرة واحدة هي خلط المادة اللاصقة و NMP والتحريك لمدة نصف ساعة ، ثم إضافة المادة الفعالة وأسود الكربون الموصّل إلى المذيب في وقت واحد للخلط. تتمثل خاصية الخلط متعدد الخطوات في إضافة كمية المذيب على دفعات. لا يكون لعملية الخلط لمرة واحدة وعملية الخلط متعددة الخطوات تأثير كبير على خصائص الملاط ، مثل اللزوجة ومعامل اللزوجة الديناميكية وخصائص التدفق المستقر فحسب ، بل تؤثر أيضًا على الممانعة وأداء الدورة ومعدل أداء البطارية.

1. العلاقة بين لزوجة الملاط ومعدل القص والسيولة

يوضح الشكل 2 منحنى العلاقة بين اللزوجة ومعدل القص. يمكن ملاحظة أنه بغض النظر عما إذا تم اعتماد طريقة خطوة واحدة أو خطوة خطوة ، فإن لزوجة الملاط تنخفض مع زيادة معدل القص (ترقق القص). تعتبر لزوجة الملاط تحت القص المنخفض مقياسًا لسلوك الترسيب للجسيمات الصلبة ، واللزوجة تحت القص العالي هي مقياس لقابلية معالجة الملاط. في ظل القص المنخفض ، تكون اللزوجة الأعلى للملاطين أفضل ، لأن الجسيمات الصلبة لم تستقر بشكل كبير. في ظل القص العالي ، تعد اللزوجة المنخفضة للملاط ميزة جيدة أيضًا ، لأنها تعني خلط الملاط بشكل موحد.

بالطبع ، على الرغم من أن عمليتي التحضير تحتويان على تخفيف القص ، فإن طريقة الخلط متعدد الخطوات لا تزال أفضل من طريقة التوليف ذات الخطوة الواحدة. يظهر الشكل 3 مرونة اللزوجة لنوعين من تغيرات الملاط مع التردد الزاوي.

الشكل 3. العلاقة بين المعدل الزاوي ومعامل التخزين ومعامل الخسارة

من الشكل ، يمكننا أن نرى أن مرونة اللزوجة للملاط المحضر بطريقة الخطوة الواحدة لا تتعلق بالتردد الزاوي ، في حين أن معامل اللزوجة المرنة للطين المحضر بالطريقة متعددة الخطوات يرتبط بالتردد الزاوي. ثانيًا ، في الشكل ، G&# 39 ؛ هو معامل التخزين و G&# 39 ؛ هو معامل الخسارة. يمكن ملاحظة أن معامل التخزين في طريقة الخطوة الواحدة دائمًا ما يكون أعلى من معامل الخسارة ، في حين أن الملاط متعدد الخطوات هو عكس ذلك تمامًا. يمكن ملاحظة أن الملاط المحضر بطريقة الخطوة الواحدة يكون بشكل أساسي في حالة هلامية ، وتتكتل الجسيمات معًا لتشكيل بنية شبكة مليئة بالحجم. لا يتم تدمير أو تفكيك مجموعات الجسيمات ، ويتم خلطها دائمًا بمعدل قص منخفض ، ولا يتم تحقيق تأثير الخلط. الملاط المحضر بالطريقة متعددة الخطوات هو في الأساس محلول منخفض اللزوجة ، ووحدات الجسيمات مشتتة بشكل موحد ، وبنية الشبكة مدمرة تمامًا ومشتتة. يكون الملاط التدريجي في حالة تشتت جيدة ويعرض تباطؤ تدفق جيد ، والذي يمكن تمثيله من خلال منحنى تدفق التباطؤ (السيولة) الموضح في الرسم البياني. يوضح الشكل 4 العلاقة بين معدل القص وقوة القص عندما يزيد معدل القص أولاً ثم يتناقص. يمكن ملاحظة أن الملاط متعدد الخطوات يحتوي على حلقة تخلفية.

الشكل 4. معدل القص وقوة القص

بالمقارنة مع عملية الخلط ذات الخطوة الواحدة ، في عملية الخلط متعددة الخطوات ، يتم كسر بنية الشبكة التي لا رجعة فيها لمجموعات الجسيمات بشكل متكرر. وذلك لأن المذيب NMP يضاف عدة مرات ، والمذيب أقل في الحالة الأولية ، والجسيمات أكثر عرضة للكسر تحت معدل القص العالي. نظرًا لأن الخلط من خطوة واحدة هو صب المذيب في وقت واحد ، يتم تقليل اللزوجة الكلية بسرعة ، ويكون الاحتكاك بين الجزيئات صغيرًا جدًا ، لذلك لا يمكن الحصول على حالة تشتت جيدة.

2. تأثير عمليتي خلط مختلفتين على قطعة العمود

يتم تحضير الملاط المحضرة بواسطة العمليتين في أقطاب كهربائية ، ويمكن رؤية بداية الاختلاف من صور المقطع العرضي للقطعتين ، كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5. تحليل SEM و EDS لقطعة القطب

(أ) المقطع العرضي بخطوة واحدة (هـ) المقطع العرضي متعدد الخطوات ، يمكن ملاحظة أنه بعد تحضير الملاط متعدد الخطوات لقطعة القطب ، يكون ملامسة الجسيمات أقرب وتكون الحالة المختلطة أفضل.

الشكلان (ب) و (و) عبارة عن مخططات تخطيط عناصر EDS Co للقطع القطبية لنوعين من عمليات فصل الألياف. يُشتق عنصر Co من أكسيد الكوبالت الليثيوم ، والذي يمكنه التحقق من تأثير الخلط والتشتت الأفضل للطريقة متعددة الخطوات.

الشكلان (ج) و (ز) هما تعيين عنصر C للقطعة القطبية لنوعين من عملية التحجيم على التوالي. يأتي عنصر C بشكل أساسي من PVDF وأسود الكربون الموصل ؛

الشكلان (د) و (ح) هما رسم خرائط لعنصر الفلور في القطعة القطبية لنوعين من عملية التحجيم. عنصر F يأتي من PVDF

تثبت نتائج مجموعات الصور المتعددة أيضًا أن العامل الموصّل والمواد الفعالة في الملاط أحادي الخطوة تحتوي على الكثير من التكتلات وليست مشتتة بشكل موحد.

ثالثًا ، تأثير عملية الخلط على أداء البطارية

1. دورة الأداء

يوضح الشكل 6. أداء دورة البطارية المُعد بواسطة العجينة. وبعد 70 دورة ، تبلغ قدرة عملية الخلط ذات الخطوة الواحدة والخطوة المنقسمة 60٪ و 70٪ من السعة الأولية ، على التوالي. القدرة تتحلل بشكل أسرع. قد يكون السبب هو تغيير المقاومة الداخلية للبطارية&# 39 ؛ s في طريقة الخطوة الواحدة.

الشكل 6. مقارنة أداء دورة البطارية

2. تتغير المقاومة الداخلية للبطارية مع DOD

تستخدم التجربة HPPC لاختبار المقاومة الداخلية للبطارية ، وتظهر النتيجة في الشكل 7. يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية: أ. تكون المقاومة الداخلية للبطارية أثناء التفريغ أكبر من المقاومة الداخلية للشحن. وذلك لأن معدل إدخال أيونات الليثيوم في الشبكة الصلبة يكون أبطأ من معدل استخراج أيونات الليثيوم. ب. المقاومة الداخلية للبطارية باستخدام طريقة متعددة الخطوات وعملية الملاط أقل من تلك الخاصة بطريقة الخطوة الواحدة في كل مرحلة وتحت كل حالة من شروط وزارة الدفاع. ج. ترتبط المقاومة الداخلية للبطارية وعمق التفريغ (D0D) ارتباطًا وثيقًا. مع زيادة عمق التفريغ ، تقل مساحة أيونات الليثيوم المراد دمجها ، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة البطارية وفقًا لذلك.

الشكل 7. العلاقة بين شحن وتفريغ البطاريتين والمقاومة الداخلية

3. تأثير عمليتي الخلط على أداء معدل البطارية

من أجل مقارنة المقاومة الداخلية للبطاريات ذات القطبين ، يتم تفريغ البطاريات المقابلة بمعدلات مختلفة. يظهر منحنى التفريغ في الشكل 8.

الشكل 8. مقارنة أداء معدل البطارية والاستقطاب

من بينها ، بطارية من خطوة واحدة ، و b بطارية متعددة الخطوات. يتم شحن البطاريتين بتيار ثابت عند 0.2 درجة مئوية. يوضح الشكل أ أنه مع زيادة تيار التفريغ ، يستمر استقطاب البطارية في الزيادة. على عكس منحنى تفريغ البطارية متعدد الخطوات ، على الرغم من أن استقطاب البطارية يزداد أيضًا إلى حد ما ، إلا أن الاستقطاب صغير نسبيًا مقارنة بالشكل أ. يجب إرجاع سبب هذه الظاهرة إلى عملية تحضير الطين. كما ذكرنا من قبل ، يمكن لعملية الخلط متعددة الخطوات أن تضمن التشتت المنتظم للعامل الموصل والمادة الفعالة ، مما يشكل شبكة موصلة ثابتة وموحدة. نتيجة لذلك ، يتم تقليل مقاومة التلامس بين المادة الفعالة والعامل الموصّل بشكل كبير لضمان أداء دورة البطارية الممتاز.

خاتمة:

حتى لو كان المحتوى الصلب النهائي لعمليتي الخلط المختلفتين هو نفسه ، فإن الخصائص الانسيابية للملاط لا تزال مختلفة. منتج عملية الخلط من خطوة واحدة يشبه الهلام ، ووحدات المسحوق متصلة داخل بنية الشبكة المملوءة بالحجم ، لذلك ستكون هناك خصائص شبيهة بالصلبة مصحوبة بلزوجة أعلى. المنتج الذي تم تحضيره بواسطة عملية الخلط متعدد الخطوات عبارة عن محلول منخفض اللزوجة ، ويتم تشتيت وحدات الجسيمات مع بعضها البعض. هذا لأنه في المرحلة الأولية ، يحتوي الخليط على محتوى مذيب أقل ، والجسيمات على اتصال وثيق ، واحتمال الاصطدام أعلى بكثير من طريقة الملاط ذات الخطوة الواحدة. لذلك ، فإن محتوى السائل المنخفض يساعد على تكسير وتشتيت تكتلات الجسيمات. يوضح التشتت المنتظم للمادة الفعالة للعامل الموصل أن البطارية بها استقطاب أقل وأداء دورة أفضل وأداء معدل.