【设计】用于电池浆料制备的搅拌机叶片设计

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π导读

锂离子电池的生产制造，是由一个个工艺步骤严密联络起来的过程。整体来说，锂电池的生产包括极片制造工艺、电池组装工艺以及最后的注液、预充、化成、老化工艺。电极浆料的制备是整个工序中最关键的一环，电极浆料质量好坏直接影响着能否进行下一步。制备电极浆料的搅拌机叶片是怎么设计的？

搅拌机除了要有足够的搅拌动力外，搅拌机的搅拌范围、搅拌效果显得更加重要。除了搅拌工艺之外，搅拌器叶片的形状、力学设计对浆料成品质量也具有重要的影响。

目前市场上的搅拌机按搅拌轴的数量可以分为单轴搅拌机、双轴搅拌机、三轴行星式搅拌器，根据形状又可分为立式的搅拌和卧式搅拌器设计，这些搅拌机都采用的独特的设计来确保无粉料或结块活物质未均匀混合到浆料中。不同搅拌机的适用场合需要根据生产规模、物料性质、自动化程度等多种条件综合考虑。

其次，搅拌器的形状设计对物料的分散、混合、粒度分布、流动性等具有绝对的影响。根据搅拌过程中排液方向的不同，搅拌器可以分为轴流式、径流式两种。轴流式搅拌主要依靠主体对流运动实现较大范围内混合，径流式搅拌器通过主体对流扩散和涡流扩散实现小范围的混合。在实际生产中，往往是多种对流方式的结合使用（即混流混合方式），才能达到较好地搅拌效果。目前市面上常见的搅拌器形状有桨叶式、蝶式、锚式、麻花式、爪式、框式、螺杆式等（如图1所示），搅拌器形状对浆料制浆效果也有重要的影响。以下对主要的搅拌设计进行一个总结。

一、单轴分散式搅拌

目前搅拌机市场上部分设备采用的是单轴搅拌设计（如图2），单轴搅拌设计有其优缺点，单轴搅拌机适用于中小试验生产。

单轴设计无法将搅拌叶片直径覆盖全部搅拌容器，这是考虑到搅拌机的动力消耗问题，叶片直径越大所受阻力也就越大，同时容易造成半干的物料抱杆结块、物料运动不畅等问题，严重影响搅拌设备的作业质量和效率。所以，单轴搅拌机叶片通常采用桨叶式、齿片式、螺带式搅拌器（图3）设计，作业半径小，但是转速极高，有的甚至达到7000r/min，当然这是小容量搅拌机的设计，高的设计转速具有更强的剪切力和混合能力，能够在短时间内将物料混合均匀。但是，单轴高速分散设备速度越快，浆料在搅拌过程中升温也较快，温升速度或达到3-5℃/min，需要做降温设计。此外，单轴搅拌器根据需要可以做成多层桨叶的搅拌器，以提高搅拌效率。

二、双轴、三轴行星式搅拌设计

按照双轴是否同心设计分为独立双轴和同心双轴，叶片形式多采用麻花式、框式、螺杆式等设计（图4）。双轴、三轴搅拌可以用于粘稠物的搅拌混合，双轴设计可以皆有混料、捏合、乳化等多重作用。目前市场上采用较多的是独立双轴的设计，其可以在自转的同时绕着其作用机理是：在动力机组驱动下，搅拌机叶片沿固定方向旋转，此时物料在叶片的推动下做轴向旋转和径向旋转，同时存在轴向运动和圆周运动，因而在这种情况下会出现剪切搅拌和扩散搅拌的多种混合方式，以达到物料混合均匀的目的。

当加快搅拌速度时，物料以环流方式下潜至搅拌机的底部，底部物料则被挤压至上部，继续形成新的涡流扩散。如此反复，粒子间的强烈剪切和碰撞，不仅破碎了团聚在一起的颗粒，更是可以迅速达到分散、溶解、混合的目的。

三、螺杆混料设计

螺杆混料设备是一个集物料传输、物料混合、物料捏合于一体的混料设备，常常用于锂电池浆料的混料，但是混合完之后需要一个浆料分散、匀浆的过程。其工作原理是：动力驱动螺杆旋转，螺杆向前推进过程中，分不同入口输入活物质、导电剂、粘接剂等粉状原料，在干粉混料一段时间后加入溶剂进行混合，混合完毕之后输入高速搅拌罐进行进一步的剪切、对流扩散混合。螺杆混料的优点是物料混料程度极为均匀，稳定性好，适用于大规模的浆料制备，对于中小试验来说由于需要经常更换原料配比，设备清洗不便则不太适用。

        以上是部分搅拌机混料设计和叶片设计的原理，可以得知，物料混合的方式主要分为剪切混合、对流扩散混合，想要将物料混合均匀首先需要考虑物料的特性，如粒径、硬度、堆积密度、流动性、孔隙率等等，在此基础上选择想要什么样的最终状态？之后，综合考虑产量、均一性等因素，选择转子的转速、形状、搅拌器对物料的传动方向，同时结合自己的搅拌工艺，一定能搅出完美的电极浆料。

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