锂离子电池浆料高效超细分散装备技术研究

摘要

本文介绍了锂离子电池国内外发展现状与发展趋势，分析了发展锂离子电池对我国乃至全球经济发展与环境保护具有重大战略意义。针对目前锂离子电池浆料分散工艺中采用传统的行星式分散混合设备存在着分散混合时间长、分散效果不理想、能耗高、发热量大，以及难以达到微观上的混合分散效果等一系列问题，提出了利用超剪切技术来处理上述问题的解决方法，使之在较短的时间内达到理想的混合分散效果、降低能耗、节约投资。
　　 本文研究了锂离子电池浆料的制备工艺与特性，分析了锂离子电池浆料中基本的分散机理，及对其在超剪切分散设备内的超剪切分散机理进行深入的分析。根据流体力学方程、定理、定律，运用数学方法推导出超剪切分散设备定转子内部的流场分布特性，建立了转子转速、定转子间隙与剪切应力之间的数学模型，定性地得出结构参数、操作参数对分散效果的影响，为超剪切分散设备提高分散效果提供理论依据。
　　 利用计算流体动力学商业软件FLUENT对超剪切分散设备内锂离子电池浆料快速分散过程进行三维数值模拟，结合RNGκ-ε湍流模型和Mixture混合模型，探讨了工作腔内压力场、速度场、固相体积浓度场及剪切应力场等情况，通过数值模拟展示了实验手段所不能观察到的设备内部复杂的流场变化情况。改变模拟参数中转子转速，可以显著提高剪切应力，此结论与数学方法推导出的数学模型的结论相一致。
　　 采用回归正交实验设计方法，利用超剪切分散设备对锂离子电池浆料进行快速分散实验，分析了转子转速、分散时间等参数对锂离子电池浆料分散效果的影响，建立了分散浆料粒径分布响应面回归数学模型。与传统的行星式分散设备进行了对比性实验，通过电镜照片分析，证明了采用超剪切技术可以有效地粉碎浆料中的团聚体大颗粒，降低浆料平均粒径。实验结果表明，采用超剪切技术对锂离子电池浆料进行混合分散，其混合分散效果好，大大缩短了分散时间，显著提高生产效率降低能耗。该研究结果为锂离子电池浆料生产应用超剪切技术进行快速微细混合分散提供了技术支撑。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

声明

第一章 绪论

1.1 锂离子电池发展背景

1.2 锂离子电池工作原理

1.3 超剪切分散装备技术

1.3.1 超剪切分散技术的特点及应用

1.3.2 超剪切分散技术的研究及现状

1.4 课题研究目的与意义

1.5 课题研究的总体方案

第二章 超剪切分散机理与效果的研究

2.1 锂离子电池浆料

2.1.1 锂离子电池浆料制备

2.1.2 锂离子电池浆料特性

2.2.3 分散效果对锂离子电池浆料的影响

2.2 锂离子电池浆料分散机理研究

2.2.1 浆料稳定性理论

2.2.2 团聚与分散的关系

2.2.3 团聚体变形与破裂

2.3 超剪切分散机理的研究

2.3.1 层流剪切

2.3.2 湍流剪切

2.3.3 空穴效应

第三章 超剪切分散装置结构的研究

3.1 超剪切分散设备的关键结构参数

3.1.1 叶轮结构的选择

3.1.2 定转子结构的选择

3.1.3 定转子间间隙的选择

3.1.4 开槽率与开槽宽度的选择

3.2 超剪切分散设备的关键操作参数

3.2.1 转子转速的选择

3.2.2 分散时间的选择

3.2.3 物料的进口压力

3.2.4 物料的分散温度

3.3 锂离子电池浆料高效超细分散系统

第四章 超剪切分散流场的数值模拟

4.1 FLUENT湍流模型选择

4.1.1 FLUENT简介

4.1.2 湍流模型选择

4.2 FLUENT求解步骤

4.2.1 制定分析方案

4.2.2 确定求解步骤

4.3 超剪切分散流场几何模型构建

4.3.1 基本假设

4.3.2 锂离子电池浆料两相流动的数学模型

4.3.3 三维物理模型及边界条件的设置

4.3.4 模拟结果与分析

第五章 锂离子电池浆料分散实验研究

5.1 实验方案制定

5.1.1 实验目的

5.1.2 实验材料与仪器

5.1.3 实验方法与步骤

5.2 回归正交实验

5.2.1 回归正交实验设计

5.2.2 回归正交模型分析

5.2.3 因素影响主次分析

5.2.4 回归正交实验总结

5.3 对比性实验

5.3.1 实验设备

5.3.2 对比性实验步骤

5.3.3 对比性实验总结

5.4 锂离子电池浆料实验总结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 作者在攻读硕士学位期间发表的论文