专利名称：一种锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于锂离子电池制浆技术领域，特别涉及一种锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构。
背景技术：
由于锂离子电池具有能量密度高、可靠性高、循环寿命长和无环境污染等优点，目前被广泛应用于如智能手机、笔记本、平板电脑等各类便携式电子设备。在锂离子电池的制造工艺中，制浆工艺占有重要的地位，该工艺的优劣会对电池的性能产生直接影响。所谓制浆工艺，即将正、负极所用的活性物质与导电剂、粘结剂、添加剂和溶剂等原料充分混合，经一定的搅拌作用制成浆料，以便涂布在集流体上制成电极。锂离子电池对制浆提出的质量要求主要是颗粒分散均匀、少团聚现象，同时浆料稳定性良好。目前，锂离子电池行业所用的搅拌分散设备大都是行星式搅拌机，这种设备在制备锂离子电池浆料时，存在着搅拌效率低下、粉末颗粒分散不好的问题，尤其是在水性负极浆料制作时，由于溶剂水较难润湿活性物质石墨，需要采用较长的时间来保证制浆的分散均匀。于是，一种高速分散设备被引入到锂离子电池制浆工序来。这种高速分散设备最早是由日本Primix公司发明，被称为Filmix，即薄膜式搅拌。这种设备的原理是，用行星式搅拌机将配比好的原料短时间搅拌成初级浆料，然后泵送进入高速分散机的核心搅拌机构，初级浆料经过该功能机构的高速分散，几秒钟内就达到行星式搅拌机搅拌几小时的效果，形成均匀、无颗粒团聚的浆料。图1为现有技术高速分散设备的整体结构图。其中I为料桶(即核心分散机构)、2为转子、4为分散主轴、6为电机、8为浆料出口、128为浆料入口、A为料封。其中，该高速分散设备的核心分散机构纵剖面结构示意图如图2所示。其中IA为高速电机主轴，2A定子，3A为冷却水出口及冷却水夹层，4A为带有通孔的环形转子，其纵剖面是“H”形，5A为浆料入口管道，6A为定子顶盖，7A为浆料出口管道，8A为冷却水进口及冷却水夹层。具体工作原理是初级浆料从底部入口被泵送进来后，在离心力作用下流经环形转子表面的通孔进入高速旋转的转子和定子间的狭小间隙而被剪切分散，最终从上方出口流出，转子在高度方向上呈等直径圆环形，环面上分布有直径约几个毫米的通孔，转子外环面与定子之间仅有很小的间隙。浆料在流经此间隙时，形成跟间隙一样厚的薄膜。由于转子高速旋转，与静止的定子间形成了很大速度梯度场，造成很强的剪切效果，初浆料经过间隙时团聚大颗粒受到很大的剪切作用而被分散开，得到均匀的浆料。但是，尽管高速分散设备的分散效果好，应用在锂离子电池制浆工序却存在两个问题一是不同的活性物质颗粒能适应的剪切强度不同，从进入定子与转子的间隙开始，浆料受到较长时间过度剪切可能导致某些易碎的活性物质颗粒破碎，从而影响电池性能；二是浆料中的粘接剂和分散剂一般采用高分子聚合物，在较长时间高速剪切作用下其粘弹性会发生改变导致浆料不能符合涂布的要求。[0008]如果能在保证浆料分散的同时，又能有效地控制其所受到的剪切强度，就可以提升浆料的加工性能，且不会对后续的电池性能产生不良影响。综上，确有必要提供一种优化的设计方案来调整高速分散设备的剪切强度，以扩大其在不同电池浆料制备工艺中的适用性与实用性。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构；该机构能够调整浆料分散过程中剪切强度的分布，以扩大该设备在不同电池浆料制备工艺中的适用性与实用性。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，包括高速电机主轴、定子和转子，所述转子设置于所述定子内，所述转子同轴安装于所述高速电机的主轴；其中，所述转子包括至少两个不同直径的圆环。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，所述转子包括四个不同直径圆环。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，每个圆环的高度均相同。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，每个环的高度均不相同。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，相邻的两个圆环通过锥面连接。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，每个圆环的外圆周面与所述定子的内壁的间隙分别在2毫米到10毫米之间。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，每个圆环的外圆周面与所述定子的内壁的间隙分别在3毫米到9毫米之间。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，所述锥面与水平面的夹角为10度到80度。作为本实用新型所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构的一种改进，所述锥面与水平面的夹角为20度到70度。本实用新型的有益技术效果在于本实用新型通过采用组合式外径的转子结构，其纵剖面结构示意图见图3、4，其中9为新设计的双级转子结构，10为新设计的四级转子结构，都是为了部分缩小环形转子的外径，使转子与定子间的剪切间隙增大，从而降低了浆料被剪切强度。这种新型设计使初浆料在通过高速分散设备时受到的剪切强度先大后小，逐级降低，既有高剪切强度保证团聚颗粒被分散，又有低剪切强度防止浆料被过分剪切，有效地改善了单一高强度剪切对活性物质、分散剂和粘接剂所产生的负面影响。由于转子采用了多级设计，在定子与转子的间隙处，浆料受到分布更宽的剪切强度，避免了活性物质颗粒、粘接剂和分散剂受到长时间高强度的剪切造成的破坏，可有效地提升浆料的加工性能。本实用新型至少存在以下优点1)通过调整剪切强度的分布，使活性物质颗粒不会受到长时间高强度剪切，减少了其破碎的风险，保证了最终电池的电性能的稳定。2)通过调整剪切强度的分布，使高分子聚合物结构的分散剂和粘接剂不至于受到长时间高强度剪切而产生粘弹性的变化，改善了电池浆料的加工性能。3)由于定子与转子间存在变化的间隙，当浆料流经其中时会产生更强的紊流作用，提高浆料的分散均匀性。
图1为现有技术高速分散设备的整体结构图。图2为图1的分散设备核心分散机构纵剖面结构示意图。图3为本实用新型的一种纵剖面结构示意图。图4为本实用新型的另一种纵剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图，对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。如图3所示，这是本实用新型的实施例1，高速分散设备核心搅拌机构的转子9总高为156毫米，由两级不等直径圆环组成。从下往上计，第一级高度设置为76. 03毫米，其直径为136毫米，第一级转子9的外圆周面与定子15的内壁间隙为2毫米；锥面连接处高度为3. 94毫米，锥面与水平面的夹角为80度；第二级高度设置为76. 03毫米，其直径为132毫米，第二级转子9的外圆周面与定子15的内壁间隙为4毫米。采用计算机辅助模拟浆料在其中受到的剪切强度，将转子转速设置为4213转每分钟，浆料流速设置为8升每分钟，取浆料中取任意五个颗粒，分析其从进入定子15与转子9间隙过程所受到的剪切速率，得到其剪切速率与对比例I相比，其剪切速率的分布更宽，对各种不同材料的适用性也更强。取锂镍钴锰、导电炭黑、聚偏氟乙烯和溶剂N-甲基吡咯烷酮按照一定比例在双行星式搅拌机中进行预混合，得到电池正极初浆料，采用旋转式粘度计测试其粘度为6849mPa. s，采用马尔文激光粒度仪测试其颗粒度体积分布。然后，将其通过上述改良设计的高速分散设备核心搅拌机构，采用转速为4213转每分钟，浆料流速为8升每分钟，得到最终正极浆料，测量其粘度为3829 mPa. S，从粘度结果来看，最终浆料的粘度比初浆料有明显的下降，这是颗粒分散更均匀带来的现象；与对比例I相比，其粘度却更低。如图4所示，这是本实用新型的实施例2，高速分散设备核心搅拌机构的转子总高同实施例1，由四级不等直径圆环组成。从下往上计，第一级高度设置为36. 05毫米，其直径为136毫米，第一级转子10的外圆周面与定子15的内壁间隙为2毫米；第一二级之间锥面连接处高度为3. 94毫米，锥面与水平面的夹角为70度；第二级高度设置为36. 05毫米，其直径为132毫米，第二级转子10的外圆周面与定子15的内壁间隙为4毫米；第三四级高度及其之间的连接同第一二级，不同的是其与定子内壁间隙递减2毫米。同实施例1进行模拟计算，与对比例I相比，其剪切速率的分布更宽，对各种不同材料的适用性也更强。如图3所示，这是本实用新型的实施例3，高速分散设备核心搅拌机构的转子总高同实施例1，由两级不等直径圆环组成。从下往上计，第一级高度设置为70. 12毫米，其直径为136毫米，第一级转子9的外圆周面与定子15的内壁间隙为2毫米；锥面连接处高度为15. 76毫米，锥面与水平面的夹角为80度；第二级高度设置为70. 12毫米，其直径为120毫米，第二级转子9的外圆周面与定子15的内壁间隙为9毫米。采用实施例1所述的浆料制备方法，不同的是高速分散设备组合转子的直径配置。得到最终正极浆料，测量其粘度为4274 mPa. S。如图3所示，这是本实用新型的实施例4，高速分散设备核心搅拌机构的转子结构同实施例1，不同的是第一二级的高度均为77. 65毫米，锥面连接处高度为O. 69毫米，锥面与水平面的夹角为20度。采用实施例1所述的浆料制备方法，不同的是高速分散设备组合转子的锥面与水平面的夹角；得到最终正极浆料，测量其粘度为3789 mPa. S，与实施例1相比无明显差异，说明锥面与水平面的夹角的变化对浆料的影响不明显。对比例1:高速分散设备的转子总高为156毫米，单级设计，转子直径为136毫米，转子4A外圆周面与定子2A内壁间隙为2毫米。采用实施例1所述的浆料制备方法，不同的是高速分散设备转子未采用多级配置。得到最终正极浆料，测量其粘度为2539 mPa. S。本实用新型的工作过程是将锂离子电池活性物质、导电剂、粘接剂、分散剂、添加剂和溶剂按照一定的顺序进行预混合，得到的初浆料经管道从高速分散设备的分散室底部进入后，由于转子的高速旋转，浆料经离心作用从转子上的通孔结构中喷出并在定子和转子间的间隙经过剪切作用，从分散室顶部流出，即得到电池浆料。根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式
，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
权利要求1.一种锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，包括高速电机主轴、定子和转子，所述转子设置于所述定子内，所述转子同轴安装于所述高速电机的主轴；其特征在于所述转子包括至少两个不同直径的圆环。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于所述转子包括四个不同直径圆环。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于每个圆环的高度均相同。
4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于每个圆环的高度均不相同。
5.根据权利要求1或2所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于相邻的两个圆环通过锥面连接。
6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于每个圆环的外圆周面与所述定子的内壁的间隙分别在2毫米到10毫米之间。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于每个圆环的外圆周面与所述定子的内壁的间隙分别在3毫米到9毫米之间。
8.根据权利要求5所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于所述锥面与水平面的夹角为10度到80度。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，其特征在于所述锥面与水平面的夹角为20度到70度。
专利摘要本实用新型属于锂离子电池制浆技术领域，特别涉及一种锂离子电池制浆分散设备核心搅拌机构，包括高速电机主轴、定子和转子，所述转子设置于所述定子内，所述转子同轴安装于所述高速电机的主轴；所述转子包括至少两个不同直径的圆环。使用该新型结构转子的高速分散设备制备锂离子电池浆料，不仅保留了原有的高分散性能以及相应的高制浆效率，还通过变间隙实现了制浆工艺中剪切强度的可控，避免浆料受过分剪切，在保证剪切分散的同时，又保证了浆料中的分散剂和粘接剂不会因为过度剪切而破坏，提高了制浆过程的可控性。同时，该设计可提升浆料分散的流场紊乱度，提高浆料的分散均匀性。
文档编号B01F15/00GK202823274SQ201220274900
公开日2013年3月27日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者郭超 申请人:东莞新能源科技有限公司, 宁德新能源科技有限公司