СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ МАССЫ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2023 года по МПК H01M4/1391 H01M10/525 

Изобретение относится к технологиям получения отрицательного электрода литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и может быть использовано в производстве ЛИА.

Известен способ приготовления активной массы электрода на основе смеси углеродных нанотрубок и графита FSN 4 («Перспективные материалы» №2, 2021, с. 66-76). Электродную массу готовили из смеси УНТ / порошок графита марки FSN-4. Содержание УНТ в смеси составляло 2 масс. %. В качестве связующего использовали раствор каучука концентрацией 26,7 масс. % из расчета содержания связующего в материале 7%. Полученную активную массу наносили на никелевую сетку толщиной 14 мкм, затем просушивали до постоянной массы и прокатывали.

Недостатком способа является отсутствие информации о способах и режимах перемешивания активной массы, что затрудняет его практическое использование.

Известна технология приготовления активной массы отрицательного электрода («Приготовление активной массы отрицательного электрода для полимерных литий-ионных аккумуляторов». Технологическая инструкция АО «Энергия», принята за прототип), включающая следующие операции. Для приготовления активной массы отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора высушивают проводимый углерода черный супер Р, композитный искусственный графит и натрий карбоксиметилцеллюлозу при температуре 80-120°С в течение 5 часов, готовят клеевой раствор путем смешивания воды и натрий карбоксиметилцеллюлозы в вакуумном миксере MSK-SFM-9 в течение 2 часов на скорости 105 об/мин с измельчением 1960 об/мин при вакууметрическом давлении 0,08-0,1 МПа. Количество компонентов берут из расчета, масс. %: натрий карбоксиметил целлюлоза 1,5, дистиллированная вода 88. В полученный клеевой раствор добавляют проводимый углерод черный Супер Р и перемешивают при скорости 90 об/мин с измельчением 1400 об/мин в течение 30 минут без вакуума, затем в течение 2 часов при вакууметрическом давлении 0,08-0,1 МПа. Количество проводимого углерода черного Супер Р берут из расчета 1 масс. %. Затем добавляют к полученной смеси композитный искусственный графит и перемешивают в вакуумном миксере при скорости 105 об/мин с измельчением 1400 об/мин в течение 30 минут без вакуума, затем в течение 3 часов на скорости 120 об/мин с измельчением 1960 об/мин при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем еще 30 минут на скорости 105 об/мин с измельчением 1960 об./мин при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа. Количество композитного искусственного графита берут из расчета 92,7 масс. %. В полученную смесь добавляют анионную полимерную дисперсию стирол-бутадиенового каучука и перемешивают в вакуумном миксере на скорости 75 об./мин с измельчением 1400 об./мин при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем уменьшают скорость до 60 об/мин и измельчение до 840 об/мин и продолжают перемешивание в течение еще 30 минут под вакуумом. Время приготовления активной массы составляет 10 часов.

Недостатком данного способа получения активной массы является длительный цикл продолжительностью не менее 10 часов, из-за чего необходимо прерывать его на этапе проводящего клеевого раствора и производить замес и нанесение массы 2 рабочих дня. Основной компонент - специальный композитный искусственный графит добавляется на второй день, т.к. готовая активная масса хранению не подлежит.

Проблемой технологий приготовления активной массы отрицательного электрода является длительный производственный цикл, снижающий общую производительность производства, так как время приготовления активной массы превышает продолжительность смены, что создает дополнительные временные затраты этого участка производства, связанные с организационно-производственными причинами.

Указанная проблема решается предлагаемым способом приготовления активной массы отрицательного электрода, направленного на увеличение производительности приготовления отрицательных электродов.

Техническим результатом изобретения является уменьшение времени приготовления активной массы, влияющее на производительность приготовления.

Способ приготовления активной массы отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора, состоящий в высушивании проводимогоуглерода черного супер Р, композитного искусственного графита и натрий карбоксиметил целлюлозы при температуре 80-120°С в течение 5 часов, смешивании с измельчением композитного искусственного графита, углерода черного Супер Р, натрий карбоксиметилцеллюлозы в водном растворе и последующем добавлении анионной полимерной дисперсии стирол-бутадиенового каучука в вакуумном миксере при следующем соотношении компонентов, масс. %: композитный искусственный графит 92,7, проводимый углерод черный Супер Р 1, натрий карбоксиметилцеллюлоза 1,5, анионная полимерная дисперсия 4,8 и дистиллированная вода 88% от суммы масс сухих компонентов, причем высушенные композитный искусственный графит, проводимый углерод черный Супер Р смешивают с натрий карбоксиметилцеллюлозой в вакуумном миксере в течение 30 минут на скорости 30 об/мин с измельчением на скорости 500 об/мин, в полученную смесь добавляют дистиллированную воду в пропорции 80-85% от ее общего количества, перемешивают в вакуумном миксере в течение 30 мин на скорости 50 об/мин с измельчением на скорости 1700 об/мин, продолжают перемешивание на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин в вакуумном миксере в течение 2 часов при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем добавляют оставшееся количество воды и перемешивают на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин в вакуумном миксере при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа в течение 30 мин, после этого к полученной смеси добавляют анионную полимерную дисперсию стирол-бутадиенового каучука и перемешивают в течение 30 минут на скорости 30 об/мин с измельчением 500 об/мин в вакуумном миксере при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем пропускают полученную массу через никелевую сетку с размером ячеек 0,080 мм.

Смешивание с измельчением композитного искусственного графита, проводимого углерода черного Супер Р и натрий карбоксиметилцеллюлозы в сухом состоянии позволяет получить однородную смесь, так как при таком способе смешивания на результат не влияет значительная разница в плотности материалов, а также исключается комкование связующего, карбоксиметиллцеллюлозы при последующем добавлении водного раствора полимерной анионной дисперсии. Скорость перемешивания выбрана таким образом, чтобы исключить потери проводимого углерода черного Супер Р за счет пыления и уноса в вакуумную системы. При выбранной скорости измельчения происходит дезинтеграция частиц порошка натрий карбоксиметилцеллюлозы без нагрева смеси. Проведенными исследованиями было показано, что при времени сухого смешивания менее 30 минут в смеси остаются неоднородные фрагменты, а при времени смешивания более 30 минут смесь уже не меняет своей однородности. При скорости перемешивания менее 30 об/мин не обеспечивается однородность смеси, при большей скорости начинается унос углерода черного Супер Р. При скорости измельчения менее 500 об/мин в смеси остаются крупные агломераты порошка карбоксиметиллцеллюлозы, большая скорость измельчения приводит к частичной агломерации композитного искусственного графита. Последующее добавление воды в количестве 80-85% от общей массы смеси в совокупности с перемешиванием с измельчением обеспечивают получение вязкости, предотвращающей расслаивание компонентов по плотности при большем количестве воды и появление в смеси комков при меньшем ее количестве. Скорость перемешивания 50 об/мин в течение 30 мин с измельчением 1700 об/мин способствует получению суспензии компонентов с равномерным распределением по объему. При большей скорости перемешивания большая часть неперемешанной смеси остается на стенках чаши и в дальнейшем приводит к образованию комков. Скорость измельчения 1700 об/мин препятствует агломерации частиц углерода черного Супер Р и композитного искусственного графита вследствии их взаимодействия с постепенно набухающей карбоксиметиллцеллюлозой. Большая скорость измельчения приводит к нежелательному перегреву смеси. Последующее перемешивание на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа в течение 2 часов необходимо для равномерного распределения натрий карбоксиметилцеллюлозы по объему смеси, а скорость измельчения 2250 об/мин предотвращает коагуляцию коллоидной системы с карбоксиметилцеллюлозой. При большей скорости перемешивания и измельчения начинается недопустимый нагрев смеси, а при меньшей скорости измельчения может происходить частичная коагуляция. Время 2 часа является оптимальным, обеспечивающим необходимую вязкость и однородность смеси. Применение перемешивания при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа предотвращает образование воздушных пузырьков в смеси, что препятствует ее качественному перемешиванию. Добавление после перемешивания оставшегося количества воды обеспечивает снижение вязкости, что необходимо для последующего перемешивания анионной полимерной дисперсии. Перемешивание с оставшимся количеством воды на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин в вакуумном миксере при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа в течение 30 мин проводится для обеспечения равномерности плотности и вязкости активной массы и отсутствия в массе воздушных пузырьков.

Режим перемешивания после добавления анионной полимерной дисперсии стирол-бутадиенового каучука в течение 30 минут на скорости 30 об/мин с измельчением 500 об/мин в вакуумном миксере при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа обеспечивает получение вязкости, требуемой для последующего нанесения смеси на токоотвод, а также быстрого удаления остаточных воздушных пузырьков. Приведенные параметры обеспечивают достижение равномерности активной массы без ее перегрева. Пропускание полученной активной массы через никелевую сетку с размером ячеек 0,080 мм исключает попадание сгустков активной массы на токоотвод, что может привести к браку при последующей прокатке.

Пример реализации способа приготовления активной массы отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора.

Для приготовления активной массы отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора провели высушивание проводимого углерода черного супер Р, композитного искусственного графита и натрий карбоксиметилцеллюлозы при температуре 80-120°С в течение 5 часов, далее композитный искусственный графит, углерод черный Супер Р и натрий карбоксиметилцеллюлозу смешивали в сухом состоянии в вакуумном миксере MSK-SFM-9 в течение 30 минут на скорости 30 об/мин с измельчением 500 об/мин. Количество компонентов брали из расчета, масс. %: композитный искусственный графит 92,7, углерод черный Супер Р 1, натрий карбоксиметил целлюлоза 1,5. В полученную смесь добавили дистиллированную воду из расчета 88 масс. % в пропорции 80-85% от общего количества смеси и перемешивали в вакуумном миксере в течение 30 мин на скорости 50 об/мин с измельчением на скорости 1700 об./мин, затем на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа в течение 2 часов. К полученной смеси добавили оставшееся количество воды и перемешивали на той же скорости при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа в течение 30 минут. Затем к смеси добавили анионную полимерную дисперсию стирол-бутадиенового каучука и перемешивали на скорости 30 об/мин с измельчением 500 об/мин при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем пропустили полученную массу через никелевую сетку с размером ячеек 0,08 мм. Время приготовления активной массы составило 4 часа.

Таким образом, предлагаемый способ приготовления активной массы отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора обеспечивает сокращение времени приготовления активной массы, что позволяет увеличить производительность процесса.

Изобретение относится к технологиям получения отрицательного электрода литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и может быть использовано в производстве ЛИА. Техническим результатом является уменьшение времени приготовления активной массы, влияющее на производительность. Способ состоит в высушивании проводимого углерода черного Супер Р, композитного искусственного графита и натрий карбоксиметил целлюлозы при температуре 80-120°С в течение 5 часов, смешивании в вакуумном миксере в течение 30 мин на скорости 30 об/мин с измельчением на скорости 500 об/мин, далее добавляют дистиллированную воду в пропорции 80-85% от ее общего количества, перемешивают в вакуумном миксере в течение 30 мин на скорости 50 об/мин с измельчением на скорости 1700 об/мин, продолжают перемешивание на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин в вакуумном миксере в течение 2 ч при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем добавляют оставшееся количество воды и перемешивают на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин в вакуумном миксере в течение 30 мин, после этого к полученной смеси добавляют анионную полимерную дисперсию стирол-бутадиенового каучука и перемешивают в течение 30 мин на скорости 30 об/мин с измельчением 500 об/мин в вакуумном миксере, затем пропускают полученную массу через никелевую сетку с размером ячеек 0,080 мм. 1 пр.

Способ приготовления активной массы отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора, состоящий в высушивании проводимого углерода черного Супер Р, композитного искусственного графита и натрий карбоксиметилцеллюлозы при температуре 80-120°С в течение 5 часов, смешивании с измельчением композитного искусственного графита, углерода черного Супер Р, натрий карбоксиметилцеллюлозы в водном растворе и последующем добавлении анионной полимерной дисперсии стирол-бутадиенового каучука в вакуумном миксере при следующем соотношении компонентов, мас.%: композитный искусственный графит 92,7, проводимый углерод черный Супер Р 1, натрий карбоксиметилцеллюлоза 1,5, анионная полимерная дисперсия 4,8 и дистиллированная вода 88% от суммы масс сухих компонентов, отличающийся тем, что высушенные композитный искусственный графит, проводимый углерод черный Супер Р смешивают с натрий карбоксиметилцеллюлозой в вакуумном миксере в течение 30 минут на скорости 30 об/мин с измельчением на скорости 500 об/мин, в полученную смесь добавляют дистиллированную воду в пропорции 80-85% от ее общего количества, перемешивают в вакуумном миксере в течение 30 мин на скорости 50 об/мин с измельчением на скорости 1700 об/мин, продолжают перемешивание на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин в вакуумном миксере в течение 2 часов при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем добавляют оставшееся количество воды и перемешивают на скорости 65 об/мин с измельчением 2250 об/мин в вакуумном миксере при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа в течение 30 мин, после этого к полученной смеси добавляют анионную полимерную дисперсию стирол-бутадиенового каучука и перемешивают в течение 30 минут на скорости 30 об/мин с измельчением 500 об/мин в вакуумном миксере при вакуумметрическом давлении 0,08-0,1 МПа, затем пропускают полученную массу через никелевую сетку с размером ячеек 0,080 мм.