IKA^®混合分散设备应用于锂离子电池浆料的生产

    自从1958 年美国加州大学的一位研究生提出了锂，钠等活泼金属做电池负极的设想后，人类开始了

对锂电池的研究。而从1971 年日本松下公司的福田雅太郎发明锂氟化碳电池并使锂电池实现应用化商品

化开始，锂电池便以其比能量高，电池电压高，工作温度范围宽，储存寿命长等优点，广泛应用于军事和

民用小型电器中，如移动电话，便携式计算机，摄像机，照相机等。

    锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的化学电源的总称。由于锂的标准电极电位很高（相对标准

氢电极电位为-3.05V），而且理论比容量高达3.88Ah/g。因此，与常规电池相比，具有电压高，比能量大

等特点。

    锂离子电池的研究始于20 世纪80年代。1990 年日本Nagoura 等人研制成以石油焦为负极，以LiCoO₂

为正极的锂离子电池：LiC₆|LiClO₄-PC＋EC|LiCoO₂。 同年。Moli（能元）和Sony(索尼)两大电池公司宣

称将推出以碳为负极的锂离子电池。1991年，日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了一种以聚糖醇

热解碳（PFA）为负极的锂离子电池。1993 年，美国Bellcore（贝尔电讯公司）首先报导了采用PVDF工

艺制造成聚合物锂离子电池（PLIB）。

     自二十世纪五十年代以来，我国二次电池工业从无到有，从弱到强，已形成了比较完备的工业体系，

其发展历程大致可分为三个时期：首先是五十年代兴起的铅酸蓄电池。第二个时期是指六十年代开发成功

镉镍碱性蓄电池时期，该系列电池由于高功率、高寿命以及良好的低温性能，广泛地应用于航海、通讯、

电力、铁路、电动工具、办工自动化等诸多部门。第三个时期指进入九十年代至今，九十年代初期，中国

已有了研制锂电池的初级产品，主要是用于电子计算器上的二氧化锰扣式电池，以及少量的锂、碘和卷边

封口的锂、二氧化硫电池，随后又研制出小型碳包式的锂、亚硫氯电池。此外90年代初，中国才开始由自

己规模化生产的，可供军方使用的安全可靠的锂电池。到了90年代末期，我国对锂离子电池的研究有了突

破性的进展，比亚迪、比克等公司都在大规模生产液态锂离子电池，产品的技术水平已达到较高水平。

    进入二十一世纪，在国家政策的鼓励和市场预期的推动下，中国新能源产业发展热度不断高涨，国内

汽车厂商纷纷推出发展计划。而中国新能源汽车产业体系也已基本形成，但在标准制定、企业间协作和整

体系统规划还有所欠缺，相关工作还待进一步加强。从动力电池来看，目前技术水平已经达到国际水平。

国内主要的动力电池企业有：比亚迪、大连恒田、湖南神舟、辽源锂源、苏州星恒、北大先行、江苏春兰

集团、新能源科技(ATL)、咸阳威力克、比克、天津力神、万向电动汽车以及中信国安盟固利等。

    锂离子电池目前由液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中，液态锂离子电池是指

Li⁺嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiFePO₄、LiCoO₂、LiMn₂O₄、Li(NiCo)O₂或

LiV₂O₅等，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆

效应、无污染、自放电小、循环寿命长等优点，是21世纪发展的理想能源。目前已大量应用于手机、笔记

本电脑、数码相等可携式电子产品上，并正在向电动玩具、电动工具、电动自行车、电动汽车等方面拓展。

2009年12月9日，温家宝总理主持召开国务院常务会议，并最终敲定了汽车购置税、汽车下乡、汽车以旧

换新、新能源汽车等消费刺激政策，特别是对新能源汽车的支持力度明显加大，电动汽车将成为我国新能

源汽车的主要发展方向。新能源汽车三大核心技术为车载能源系统、驱动系统及控制系统；亦就是车载电

池、电动机和电控系统，其中电池技术尤为关键。而据日本IIT公司预测，使用锂离子电池的混合动力汽车

(HEV)、充电式混合动力电动汽车(PHEV)、纯电动汽车(EV)从2009年、2010开始较大量推出后，到2012

年其市场规模还达不到镍氢电池车，但从2013年开始，其规模就开始大大超越镍氢电池车；并且，从2013

年开始，镍氢电池车的市场规模就已基本固定，几乎没有增长，但锂电池车的市场规模则随着这些新能源

车市场的增长而逐渐增长，并成为市场主流。

    性能优异的锂离子电池离不开先进的生产工艺与生产制造设备，如电池浆料的分散设备、涂布设备等，

其中电池浆料的均匀分散是生产优良锂电池的关键之一。

    目前传统的电池浆料的生产设备是间歇式的行星搅拌器混合装置，具有其相对的缺陷性，表现在：

1.     批次分散工艺，混合分散时间长，能量消耗大。

2.    电极粉末材料由行星搅拌器顶部加入，粉尘容易飞扬、漂浮。更重要的是粉末与液相混合极易发生团

    聚。

3.    物料易残留于行星搅拌器的罐盖、罐壁及搅拌桨上。

4.    空气易存留于分散混合罐，气泡的产生影响分散效果。

5.    清洗操作困难。

6.    批次工艺致使量产受到限制。

7.   混合效率低，剪切力弱，能量输入不均匀，所得浆料粒径分布宽，产品质量不稳定。

8.    生产线占地面的大，维护成本高。

               与间歇式的行星搅拌器混合装置相比，IKA^®粉液混合与精细分散设备在电极粉末材料（固相）

   与溶剂（液相）的混合、电池浆料的均匀分散上具有相对的优势，表现在：

        1.   电极粉末材料（固相）与溶剂（液相）能实现在线湿化，极少发生团聚现象，粉液混合效率极高。

        2.    连续式分散工艺，混合分散效率高，时间短，能量消耗小。

        3.    设备能实现在线清洗，清洗操作方便高效。

        4.    连续式工艺能实现量产。

        5.    精细分散能量输入可控，所得浆料粒径分布窄，产品质量更稳定。

        6.    全密闭式分散腔，避免空气引入影响分散效果。

        7.      全密闭式分散系统能耐压工作。

        8.     设备占地面积小，维护成本低。

    IKA^®连续式粉液混合设备能实现电极粉末材料如磷酸铁锂(LiFePO₄)、锰酸锂（LiMn₂O₄）、碳黑、

石墨等与液相溶剂如NMP/H₂O的在线湿化并连续式混合，避免电极粉末材料的团聚、粉尘飞扬等。IKA^®

设备利用特殊转子设计， 能将粉末连续均匀地导入快速流动的液体中， 经剪切腔被瞬间均匀分散混合，

由于液体与粉体在混合前是互相不接触的，只有在混合前的瞬间，粉末被弥散状导入液流之中，所以粉末

间发生团聚的概率较少，根据产品的特点，粉末的性能，最高可以达到80%的浓度。

        IKA^®锥体磨具有最好几何学形状的定转子分散头设计，定转子的间距范围可调，线速度高，剪切速率

到达100000s^-1，高转子的转速，低的定-转子的间距，使定转子间的剪切作用加强。电池浆料从上部进料

口以一定流速供给装置，利用锥体磨定转子高速旋转产生的剪切力使电极材料高速混合。这样，均匀分散

的浆料便可连续从下部出料。混合分散时间仅2-3秒左右，可实现连续化生产。IKA^®连续式分散混合设备

能将电池浆料实现连续式均匀分散，而现在大部分电极浆料的生产采用的是间歇式混合装置，IKA^®连续化

生产装置与间歇式混合装置相比，除可以生产品质稳定性高的电池浆料外，量产时还可大幅降低成本。

        IKA^® Master Plant & SPP系统集电极粉末材料的在线混合与电池浆料的均匀分散于一体。它由顶部螺

旋搅拌器、泵叶及高精密度定转子均质分散系统的底部核心部分DBI 2000的组成。螺旋搅拌器辅以易于拆

卸及安装的刮刀，刮刀的作用是使容器内壁与物料不断产生新的界面而不在留有任何死角。DBI2000特殊

泵叶的高速旋转，从而将物料从泵叶上下分别高压吸入，后经泵叶以离心力高速抛射，在经精密度极高的

定转子高剪切分散腔，物料受到强烈的剪切、挤压、混合、喷射等一系列复杂的物理反应，从而将混合物

料充分均质分散，因螺旋搅拌器为同速逆向左右旋不断进行，最终使整个容器内的物料由上而下不断循环

进行混合、分散、均质、乳化。

    而对于高粘度电池浆料，IKA^® Master Plant & SPP系统强劲的总体流动力及高剪切作用，使组分内部

粒子之间产生相对滑动，物料组分被拉成愈来愈薄的料层，使组分之间接触界面愈来愈大。集泵输送功能、

液体/粉体自动吸入、混合、均质分散、在线清洗等多功能于一体的IKA^® Master Plant & SPP多功能混合

分散设备能在其最短时间内使高达100Pa.s粘度的物料达到完全充分均质乳化和分散混合。特殊的真空设

计能保证均质分散过程是在超低负压(-1 Bar)的环境中进行，所以在高速均质分散过程中产生的气泡，也

会被真空吸走，从而使物料彻底得到精细分散。

     同时，德国IKA^®工业设备广州的研发测试中心具有中试测试设备，能为客户在研发测试阶段提供技

术支持，中试设备的所有测试工艺参数能与生产设备保持一致，为放大生产奠定良好的基础。