專利名稱：一種鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于鋰離子電池制漿技術領域，特別涉及一種鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構。
背景技術：
由于鋰離子電池具有能量密度高、可靠性高、循環壽命長和無環境污染等優點，目前被廣泛應用于如智能手機、筆記本、平板電腦等各類便攜式電子設備。在鋰離子電池的制造工藝中，制漿工藝占有重要的地位，該工藝的優劣會對電池的性能產生直接影響。所謂制漿工藝，即將正、負極所用的活性物質與導電劑、粘結劑、添加劑和溶劑等原料充分混合，經一定的攪拌作用制成漿料，以便涂布在集流體上制成電極。鋰離子電池對制漿提出的質量要求主要是顆粒分散均勻、少團聚現象，同時漿料穩定性良好。目前，鋰離子電池行業所用的攪拌分散設備大都是行星式攪拌機，這種設備在制備鋰離子電池漿料時，存在著攪拌效率低下、粉末顆粒分散不好的問題，尤其是在水性負極漿料制作時，由于溶劑水較難潤濕活性物質石墨，需要采用較長的時間來保證制漿的分散均勻。于是，一種高速分散設備被引入到鋰離子電池制漿工序來。這種高速分散設備最早是由日本Primix公司發明，被稱為Filmix，即薄膜式攪拌。這種設備的原理是，用行星式攪拌機將配比好的原料短時間攪拌成初級漿料，然后泵送進入高速分散機的核心攪拌機構，初級漿料經過該功能機構的高速分散，幾秒鐘內就達到行星式攪拌機攪拌幾小時的效果，形成均勻、無顆粒團聚的漿料。圖1為現有技術高速分散設備的整體結構圖。其中I為料桶(即核心分散機構)、2為轉子、4為分散主軸、6為電機、8為漿料出口、128為漿料入口、A為料封。其中，該高速分散設備的核心分散機構縱剖面結構示意圖如圖2所示。其中IA為高速電機主軸，2A定子，3A為冷卻水出口及冷卻水夾層，4A為帶有通孔的環形轉子，其縱剖面是“H”形，5A為漿料入口管道，6A為定子頂蓋，7A為漿料出口管道，8A為冷卻水進口及冷卻水夾層。具體工作原理是初級漿料從底部入口被泵送進來后，在離心力作用下流經環形轉子表面的通孔進入高速旋轉的轉子和定子間的狹小間隙而被剪切分散，最終從上方出口流出，轉子在高度方向上呈等直徑圓環形，環面上分布有直徑約幾個毫米的通孔，轉子外環面與定子之間僅有很小的間隙。漿料在流經此間隙時，形成跟間隙一樣厚的薄膜。由于轉子高速旋轉，與靜止的定子間形成了很大速度梯度場，造成很強的剪切效果，初漿料經過間隙時團聚大顆粒受到很大的剪切作用而被分散開，得到均勻的漿料。但是，盡管高速分散設備的分散效果好，應用在鋰離子電池制漿工序卻存在兩個問題一是不同的活性物質顆粒能適應的剪切強度不同，從進入定子與轉子的間隙開始，漿料受到較長時間過度剪切可能導致某些易碎的活性物質顆粒破碎，從而影響電池性能；二是漿料中的粘接劑和分散劑一般采用高分子聚合物，在較長時間高速剪切作用下其粘彈性會發生改變導致漿料不能符合涂布的要求。[0008]如果能在保證漿料分散的同時，又能有效地控制其所受到的剪切強度，就可以提升漿料的加工性能，且不會對后續的電池性能產生不良影響。綜上，確有必要提供一種優化的設計方案來調整高速分散設備的剪切強度，以擴大其在不同電池漿料制備工藝中的適用性與實用性。
實用新型內容本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，而提供一種鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構；該機構能夠調整漿料分散過程中剪切強度的分布，以擴大該設備在不同電池漿料制備工藝中的適用性與實用性。為了實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案一種鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，包括高速電機主軸、定子和轉子，所述轉子設置于所述定子內，所述轉子同軸安裝于所述高速電機的主軸；其中，所述轉子包括至少兩個不同直徑的圓環。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，所述轉子包括四個不同直徑圓環。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，每個圓環的高度均相同。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，每個環的高度均不相同。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，相鄰的兩個圓環通過錐面連接。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，每個圓環的外圓周面與所述定子的內壁的間隙分別在2毫米到10毫米之間。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，每個圓環的外圓周面與所述定子的內壁的間隙分別在3毫米到9毫米之間。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，所述錐面與水平面的夾角為10度到80度。作為本實用新型所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構的一種改進，所述錐面與水平面的夾角為20度到70度。本實用新型的有益技術效果在于本實用新型通過采用組合式外徑的轉子結構，其縱剖面結構示意圖見圖3、4，其中9為新設計的雙級轉子結構，10為新設計的四級轉子結構，都是為了部分縮小環形轉子的外徑，使轉子與定子間的剪切間隙增大，從而降低了漿料被剪切強度。這種新型設計使初漿料在通過高速分散設備時受到的剪切強度先大后小，逐級降低，既有高剪切強度保證團聚顆粒被分散，又有低剪切強度防止漿料被過分剪切，有效地改善了單一高強度剪切對活性物質、分散劑和粘接劑所產生的負面影響。由于轉子采用了多級設計，在定子與轉子的間隙處，漿料受到分布更寬的剪切強度，避免了活性物質顆粒、粘接劑和分散劑受到長時間高強度的剪切造成的破壞，可有效地提升漿料的加工性能。本實用新型至少存在以下優點1)通過調整剪切強度的分布，使活性物質顆粒不會受到長時間高強度剪切，減少了其破碎的風險，保證了最終電池的電性能的穩定。2)通過調整剪切強度的分布，使高分子聚合物結構的分散劑和粘接劑不至于受到長時間高強度剪切而產生粘彈性的變化，改善了電池漿料的加工性能。3)由于定子與轉子間存在變化的間隙，當漿料流經其中時會產生更強的紊流作用，提高漿料的分散均勻性。
圖1為現有技術高速分散設備的整體結構圖。圖2為圖1的分散設備核心分散機構縱剖面結構示意圖。圖3為本實用新型的一種縱剖面結構示意圖。圖4為本實用新型的另一種縱剖面結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和說明書附圖，對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。如圖3所示，這是本實用新型的實施例1，高速分散設備核心攪拌機構的轉子9總高為156毫米，由兩級不等直徑圓環組成。從下往上計，第一級高度設置為76. 03毫米，其直徑為136毫米，第一級轉子9的外圓周面與定子15的內壁間隙為2毫米；錐面連接處高度為3. 94毫米，錐面與水平面的夾角為80度；第二級高度設置為76. 03毫米，其直徑為132毫米，第二級轉子9的外圓周面與定子15的內壁間隙為4毫米。采用計算機輔助模擬漿料在其中受到的剪切強度，將轉子轉速設置為4213轉每分鐘，漿料流速設置為8升每分鐘，取漿料中取任意五個顆粒，分析其從進入定子15與轉子9間隙過程所受到的剪切速率，得到其剪切速率與對比例I相比，其剪切速率的分布更寬，對各種不同材料的適用性也更強。取鋰鎳鈷錳、導電炭黑、聚偏氟乙烯和溶劑N-甲基吡咯烷酮按照一定比例在雙行星式攪拌機中進行預混合，得到電池正極初漿料，采用旋轉式粘度計測試其粘度為6849mPa. s，采用馬爾文激光粒度儀測試其顆粒度體積分布。然后，將其通過上述改良設計的高速分散設備核心攪拌機構，采用轉速為4213轉每分鐘，漿料流速為8升每分鐘，得到最終正極漿料，測量其粘度為3829 mPa. S，從粘度結果來看，最終漿料的粘度比初漿料有明顯的下降，這是顆粒分散更均勻帶來的現象；與對比例I相比，其粘度卻更低。如圖4所示，這是本實用新型的實施例2，高速分散設備核心攪拌機構的轉子總高同實施例1，由四級不等直徑圓環組成。從下往上計，第一級高度設置為36. 05毫米，其直徑為136毫米，第一級轉子10的外圓周面與定子15的內壁間隙為2毫米；第一二級之間錐面連接處高度為3. 94毫米，錐面與水平面的夾角為70度；第二級高度設置為36. 05毫米，其直徑為132毫米，第二級轉子10的外圓周面與定子15的內壁間隙為4毫米；第三四級高度及其之間的連接同第一二級，不同的是其與定子內壁間隙遞減2毫米。同實施例1進行模擬計算，與對比例I相比，其剪切速率的分布更寬，對各種不同材料的適用性也更強。如圖3所示，這是本實用新型的實施例3，高速分散設備核心攪拌機構的轉子總高同實施例1，由兩級不等直徑圓環組成。從下往上計，第一級高度設置為70. 12毫米，其直徑為136毫米，第一級轉子9的外圓周面與定子15的內壁間隙為2毫米；錐面連接處高度為15. 76毫米，錐面與水平面的夾角為80度；第二級高度設置為70. 12毫米，其直徑為120毫米，第二級轉子9的外圓周面與定子15的內壁間隙為9毫米。采用實施例1所述的漿料制備方法，不同的是高速分散設備組合轉子的直徑配置。得到最終正極漿料，測量其粘度為4274 mPa. S。如圖3所示，這是本實用新型的實施例4，高速分散設備核心攪拌機構的轉子結構同實施例1，不同的是第一二級的高度均為77. 65毫米，錐面連接處高度為O. 69毫米，錐面與水平面的夾角為20度。采用實施例1所述的漿料制備方法，不同的是高速分散設備組合轉子的錐面與水平面的夾角；得到最終正極漿料，測量其粘度為3789 mPa. S，與實施例1相比無明顯差異，說明錐面與水平面的夾角的變化對漿料的影響不明顯。對比例1:高速分散設備的轉子總高為156毫米，單級設計，轉子直徑為136毫米，轉子4A外圓周面與定子2A內壁間隙為2毫米。采用實施例1所述的漿料制備方法，不同的是高速分散設備轉子未采用多級配置。得到最終正極漿料，測量其粘度為2539 mPa. S。本實用新型的工作過程是將鋰離子電池活性物質、導電劑、粘接劑、分散劑、添加劑和溶劑按照一定的順序進行預混合，得到的初漿料經管道從高速分散設備的分散室底部進入后，由于轉子的高速旋轉，漿料經離心作用從轉子上的通孔結構中噴出并在定子和轉子間的間隙經過剪切作用，從分散室頂部流出，即得到電池漿料。根據上述說明書的揭示和教導，本實用新型所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本實用新型并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式
，對本實用新型的一些修改和變更也應當落入本實用新型的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本實用新型構成任何限制。
權利要求1.一種鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，包括高速電機主軸、定子和轉子，所述轉子設置于所述定子內，所述轉子同軸安裝于所述高速電機的主軸；其特征在于所述轉子包括至少兩個不同直徑的圓環。
2.根據權利要求1所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于所述轉子包括四個不同直徑圓環。
3.根據權利要求1或2所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于每個圓環的高度均相同。
4.根據權利要求1或2所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于每個圓環的高度均不相同。
5.根據權利要求1或2所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于相鄰的兩個圓環通過錐面連接。
6.根據權利要求1或2所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于每個圓環的外圓周面與所述定子的內壁的間隙分別在2毫米到10毫米之間。
7.根據權利要求6所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于每個圓環的外圓周面與所述定子的內壁的間隙分別在3毫米到9毫米之間。
8.根據權利要求5所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于所述錐面與水平面的夾角為10度到80度。
9.根據權利要求8所述的鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，其特征在于所述錐面與水平面的夾角為20度到70度。
專利摘要本實用新型屬于鋰離子電池制漿技術領域，特別涉及一種鋰離子電池制漿分散設備核心攪拌機構，包括高速電機主軸、定子和轉子，所述轉子設置于所述定子內，所述轉子同軸安裝于所述高速電機的主軸；所述轉子包括至少兩個不同直徑的圓環。使用該新型結構轉子的高速分散設備制備鋰離子電池漿料，不僅保留了原有的高分散性能以及相應的高制漿效率，還通過變間隙實現了制漿工藝中剪切強度的可控，避免漿料受過分剪切，在保證剪切分散的同時，又保證了漿料中的分散劑和粘接劑不會因為過度剪切而破壞，提高了制漿過程的可控性。同時，該設計可提升漿料分散的流場紊亂度，提高漿料的分散均勻性。
文檔編號B01F15/00GK202823274SQ201220274900
公開日2013年3月27日 申請日期2012年6月12日 優先權日2012年6月12日
發明者郭超 申請人:東莞新能源科技有限公司, 寧德新能源科技有限公司