石川型攪拌破碎機D101S在全固態(tài)電池生產(chǎn)上的運用分析

發(fā)布日期：2024-05-10      瀏覽次數(shù)：293

石川型攪拌破碎機D101S在全固態(tài)電池生產(chǎn)上的運用分析

使用D101S的全固態(tài)電池的原型制作及其評估結(jié)果

概述

　我們驗證了石川式攪拌破碎機D101S在全固態(tài)電池原型生產(chǎn)中的有效性。

具體來說，我們將其性能與使用行星式球磨機原型的全固態(tài)電池進(jìn)行了比較，并將報告評估結(jié)果。

*全固態(tài)電池的原型生產(chǎn)和評估外包給外部組織。（我借給他D101S）

結(jié)論

(1)使用石川型攪拌機和破碎機生產(chǎn)的全固態(tài)電池在高倍率充放電中表現(xiàn)出良好的效果。

(2)粉碎固體電解質(zhì)時，可以比行星式球磨機磨得更細(xì)，并且固體電解質(zhì)的變質(zhì)較少。可以理解，石川型攪拌破碎機實現(xiàn)了更溫和的分散。

 

在此原型中，研磨時間為10分鐘。在石川型攪拌機和破碎機的情況下，如果進(jìn)一步增加研磨時間，則可以將固體電解質(zhì)制成更細(xì)的顆粒，并且可以獲得更高的充放電特性。

使用的設(shè)備和材料

設(shè)備1：石川式攪拌破碎機　D101S
尺寸：　W250mm x D330mm x H 340mm，15kg
功率：　100V（60W）




設(shè)備2：Fritsche行星式球磨機 P-6

尺寸：　W370mm × D530mm × H500mm，63Kg

電源：　100V （1000W ）

 

使用的固體電解質(zhì)材料：　Li 6 PS 5 Cl


測量程序

1. 固體電解質(zhì)壓碎試驗

<粉碎試驗(石川型攪拌粉碎機D101S )>使用石川型攪拌粉碎機，在
露點-80℃以下的Ar氣氛下進(jìn)行固體電解質(zhì)的粉碎試驗。
設(shè)備：石川型攪拌破碎機　D101S
處理量：　5 g
轉(zhuǎn)速：　50 rpm
處理時間：　10 分鐘

<破碎試驗（Fritsch 行星式球磨機P-6 >
露點-80℃ Ar氣氛中的固體電解質(zhì)或更低)將固體電解質(zhì)密封在受控氣氛容器中，并在保持惰性氣氛的同時使用行星式球磨機進(jìn)行破碎試驗
設(shè)備：Fritsch行星式球磨機P-6
吊艙：　45cc　× 1
轉(zhuǎn)速：　100rpm
。球直徑：　φ3 mm
球材質(zhì)： 氧化鋯
球數(shù)量：　60 g
SE輸入量：　2克
處理時間：　10分鐘

2. 固體電解質(zhì)的評價

<粒度分布/濕式粒度分布的比較>
通過低露點環(huán)境下的濕式粒度分布測定來評價粉碎前后的固體電解質(zhì)的粒度分布。
測定裝置：激光衍射/散射粒度分布測定裝置LA-950V2（堀場制作所制造）

測定條件
（濕式粒度測定條件）
測定單位：濕式
測定模式：手動批量測定
測定范圍：0.01μm～3000μm
粒徑標(biāo)準(zhǔn)：體積標(biāo)準(zhǔn)
折射率：1.65?0.00i（樣品）、1.40?0.00i（溶劑）
分散處理：超聲波分散5分鐘
測量次數(shù)：更換樣品并測量兩次<

離子電導(dǎo)率變化比較/離子電導(dǎo)率測量＞
?用于離子電導(dǎo)率測量的電池原型配置
：鋁集流體箔/固體電解質(zhì)層/Al集電體箔
顆粒尺寸：1cm 2
數(shù)量：100mg
加壓壓力：600MPa

/離子電導(dǎo)率測量/ AC阻抗測量
測量裝置：高性能電化學(xué)測量系統(tǒng)VMP-300（Bio-Logic制造）
電壓控制：OCV交流電振幅為20 mV的信號疊加在信號上。
頻率范圍：7MHz至1Hz掃至較低頻率側(cè)。
溫度：25℃固體電解質(zhì)厚度測量：在評價后在
五個點測量 通過分解電池獲得的固體電解質(zhì)顆粒的厚度。?離子電導(dǎo)率的計算 σ = L / (R x A) σ : 離子電導(dǎo)率/S/cm, L : 樣品厚度/cm, A : 樣品截面積/cm

2 , R : 電阻 ( R 0 ) / Ω
關(guān)注點：破碎過程導(dǎo)致離子電導(dǎo)率的變化

3. 全固態(tài)電池的樣機制作與評估

<電極混合物的制備>在
露點為-80 ℃以下的Ar氣氛手套箱中制備電極混合物。
組成比例： 正極活性物質(zhì)：固體電解質(zhì)：導(dǎo)電助劑 = 74 : 23 : 3 wt.%
負(fù)極活性物質(zhì)：固體電解質(zhì) = 50 : 50 wt.% <全固體電池原型>露點為-80℃以下在盒子中制作全固態(tài)電池。使用的電極：制備的正極混合物、制備的負(fù)極混合物固體電解質(zhì)：Li 6 PS 5 Cl顆粒尺寸：1cm 2壓制壓力：600MPa　　　　　　



	正極復(fù)合層	固體電解質(zhì)層	負(fù)極復(fù)合層
細(xì)胞1	使用行星式球磨機	未研磨的固體電解質(zhì)	使用行星式球磨機
細(xì)胞2	采用石川型攪拌粉碎機（D101S）		采用石川型攪拌破碎機

<充放電試驗>
測定裝置：高性能電化學(xué)測定系統(tǒng)VMP-300（Bio-Logic公司制造）
試驗條件

不。	模式	當(dāng)前的	過渡條件			溫度
			電壓	當(dāng)前的	時間
1	恒流充電	0.1℃	4.2V<	---	---	25±3℃
2	恒壓充電	---	4.2V	<0.01℃	1小時
3	暫停	---	---	---	10分鐘
四	恒流放電	0.1℃	<3.0V	---	---
五	暫停	---	---	---	10分鐘

循環(huán)次數(shù)：1～No.5 3個循環(huán)

 

<阻抗測量>
電壓控制：　施加疊加在OCV上的振幅為10mV的AC信號。
頻率范圍：　7MHz至0.01Hz
測量時機：　在第三個充電和放電周期結(jié)束時測量。


<放電率特性測試>
測試條件

不。	模式	電流	移行條件			溫度
			電圧	電流	時間
1	CC充電	0.1C	4.2V<	---	---	25±3℃
2	CV充電	---	4.2V	<0.01C	1時間
3	休止	---	---	---	10分
4	CC放電	0.1, 0.2, 0.5, 1, 2C	<3.0V	---	---
5	休止	---	---	---	10分

循環(huán)數(shù)：一邊改變CC放電的施加電流，一邊一次1個循環(huán)地進(jìn)行測定。

檢測結(jié)果

粒度分布比較

照片1　顯示了使用石川型攪拌機和破碎機的粉碎實驗，照片2顯示了粉末前后固體電解質(zhì)的狀態(tài)。




表1顯示了使用石川型攪拌器和破碎機以及行星式球磨機的固體電解質(zhì)破碎試驗中的回收率。兩種設(shè)備的回收率約為98%，沒有觀察到重大差異。

表1各裝置固體電解質(zhì)回收率

設(shè)備	輸入固體電解質(zhì)重量（g）	回收固體電解質(zhì)重量(g)	恢復(fù)率 （％）
石川型攪拌粉碎機（D101S）	5.0058	4.9253	98.4
行星式球磨機	2.0055	1.9701	98.2

表2和圖1示出了使用石川型攪拌器和破碎機以及行星式球磨機研磨的固體電解質(zhì)的粒度分布測量結(jié)果。比較粒徑分布可知，與未粉碎物相比，石川型攪拌粉碎物中10μm以下的粒子有增加的傾向，表明粉碎和霧化正在進(jìn)行。另一方面，在通過行星式球磨機粉碎的產(chǎn)品的情況下，與未粉碎的產(chǎn)品相比，存在1μm以下的顆粒減少、10μm以上的顆粒增加的趨勢，這表明固體電解質(zhì)顆粒由于球的碰撞能量而結(jié)合在一起，這表明了造粒的可能性。為了詳細(xì)比較顆粒形態(tài)，需要利用SEM觀察來觀察顆粒形狀并做出綜合判斷，因此在解釋時需要謹(jǐn)慎。

 

表2各裝置粉碎固體電解質(zhì)的中值直徑

樣本	中值直徑（μm）
	第一次	第二次	平均的
未研磨產(chǎn)品	6.228	5.618	5.92
石川型攪拌破碎機（D101S）破碎產(chǎn)品	4.623	5.309	4.97
行星式球磨機粉碎產(chǎn)品	12.09	8.585	10.3









圖1 各設(shè)備粉碎固體電解質(zhì)粒度分布對比

離子電導(dǎo)率比較

石川型攪拌破碎機及表3顯示了使用行星式球磨機研磨的固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率測量結(jié)果。從離子電導(dǎo)率測量結(jié)果來看，與未粉碎的產(chǎn)品相比，石川攪拌破碎產(chǎn)品和行星式球磨機產(chǎn)品均未觀察到離子電導(dǎo)率顯著降低。

 

表3各裝置粉碎固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率

樣本	離子電導(dǎo)率（S/cm）
未研磨產(chǎn)品	4.07× 10-3
石川型攪拌破碎機（D101S）破碎產(chǎn)品	3.45× 10-3
行星式球磨機粉碎產(chǎn)品	3.23× 10-3

 

圖2顯示了使用石川型攪拌器和破碎機以及行星式球磨機研磨的固體電解質(zhì)制造的硫化物全固態(tài)電池的初始3次循環(huán)充放電測試的結(jié)果，表4顯示了結(jié)果交流阻抗測量結(jié)果如圖3所示。從充放電測試和交流阻抗測量結(jié)果來看，石川攪拌破碎產(chǎn)品與行星式球磨機產(chǎn)品在性能上沒有觀察到顯著差異。

充放電測試結(jié)果

表4初次充放電試驗第3次循環(huán)比較（調(diào)理）

樣本	充電容量（mAh）	放電容量(mAh)
石川型攪拌破碎機（D101S）破碎產(chǎn)品	1.53	1.52
行星式球磨機粉碎產(chǎn)品	1.54	1.53









將放電率特性評價的結(jié)果示于圖4、圖5、表5、表6 。排出速率特性評價的結(jié)果顯示，石川型攪拌粉碎物的容量維持率存在排出量越高則容量維持率越高的傾向。

表5放電倍率特性評價結(jié)果

樣本	放電容量(mAh)
	0.1℃	0.2℃	0.5℃	1C	2C
石川型攪拌破碎機（D101S）破碎產(chǎn)品	1.53	1.44	1.30	1.19	1,06
行星式球磨機粉碎產(chǎn)品	1.53	1.44	1.30	1.16	1.00









表6各放電倍率下的容量保持率比較

樣本	放電容量(mAh)
	0.1℃	0.2℃	0.5℃	1C	2C
石川型攪拌破碎機（D101S）破碎產(chǎn)品	1.53	1.44	1.30	1.19	1,06
行星式球磨機粉碎產(chǎn)品	1.53	1.44	1.30	1.16	1.00

評價結(jié)果

根據(jù)以上實驗結(jié)果，可以考慮以下內(nèi)容。

(1)使用石川型攪拌機和破碎機生產(chǎn)的全固態(tài)電池在高倍率充放電中表現(xiàn)出良好的效果。

(2)粉碎固體電解質(zhì)時，可以比行星式球磨機磨得更細(xì)，并且固體電解質(zhì)的變質(zhì)較少?？梢岳斫猓ㄐ蛿嚢杵扑闄C實現(xiàn)了更溫和的分散。

 

在此原型中，研磨時間為10分鐘。在石川型攪拌機和破碎機的情況下，如果進(jìn)一步增加研磨時間，則可以將固體電解質(zhì)制成更細(xì)的顆粒，并且可以獲得更高的充放電特性。