CN107308875A - 电池浆料超声波混合设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池浆料超声波混合设备，包括真空容器与搅拌机构，搅拌机构包括公转电机、空心主轴、公转基座板、安装于公转基座板上的刮臂和至少一组浆叶组件，超声波换能器安装于所述的刮臂或浆叶组件的桨叶上，超声波换能器的驱动电源线从刮臂或桨叶接入到空心主轴的空腔中，再从主轴的一级导电滑环引出到外置的超声波驱动电源上，其优点是超声波换能器安装在真空容器的浆叶或刮臂上，在搅拌时，跟随浆叶或刮臂一起转动的超声波换能器对电池浆料具有更好的分散效果，同时不改变常规混合器的基本布局与操作，不产生其它的副作用，还可以根据浆料特点任意设置超声波的启动时间与时长、功率，适应性广。

Description

电池浆料超声波混合设备

技术领域

本发明涉及一种电池浆料混合设备，尤其涉及一种电池浆料超声波混合设备。

背景技术

电池特别是锂离子电池的浆料由多种成份组成，除了最主要的活性材料外，还包括导电材料(各种导电碳黑，石墨，纳米碳管，以及石墨烯等)、粘结剂、溶剂及其它功能性添加材料。电池浆料是将这些固体粉末材料与溶剂等液体高度均匀混合成粘稠状的胶质浆料。由于电池特别是锂电池对这种浆料的均匀性要求特别高，除了各材料必须均匀分散外，尤其是要求不允许有未分散及板结的颗粒，否则极易导致电池内部产生短路及可靠性能与均一性等一系列问题，而实际上，由于这些电池材料的特点，要完全达到这样的目标非常困难。这是因为首先电池材料的粘结剂是一种具有非常强吸液能力及很高粘度的材料，这种材料一方面在贮存过程中极易吸收空气中的水分而板结与结块，另一方面在混合过程中当加入溶剂等液体材料(如水、NMP等)时，会马上形成非常粘稠的胶质，这种胶质会阻止溶剂进一步渗透进入到粉料内层，从而形成一个个内部包裹着气体的小团，这些团靠机械搅拌短时间内很难打散；另外，电池材料中包括活性材料由于贮存不当或贮存时间过长等也会产生板结与结块，这些存在于浆料中的板结、结块等都很难打散、混合均匀。对于前一种结块，目前的方法是通过真空的方式使溶剂强制进入到小团内部再通过长时间的搅拌进行分散，而后一种方式即使是通过长时装的搅拌也很难将其打散。

另外，锂离子电池浆料使用的材料中，往往还有CNT、石墨烯及其它诸如纳米材料等等易团聚的材料，这些材料通过单纯的机械搅拌通常无法达到分散的目的，主要是通过加入分散剂，不仅增加成本，往往还会引起其它问题，譬如内阻的增加等等。

目前电池浆料混和的主要方式是机械搅拌，对于高吸液性材料的分散则再结合真空搅拌。这种混和技术的效率比较低，正常情况下需要八小时甚至达到十二小时的连续搅拌。

超声波是一种促进粉料在液体中混合的非常好的技术，它通过在液体中产生强烈的振动，甚至于产生空泡效应，产生强烈的扩散效应，从而可以在短时间内在微区内达到均匀分散与粉碎的目的，而且，它对于象纳米材料、CNT及石墨烯等易团聚的材料还有比较好的解聚作用，使用超声波可以解决在这些材料中加入分散剂的问题，因此尤其适用于锂电池浆料的混合。

但超声波对浆料混和的作用受浓度梯度的限制，也就是通常只适合于小范围、微区内的物料的均匀化，当较大范围内存在不均匀存在大片的物料不均匀时，其混合的效果就比较差甚至是无能为力，这种情况只能借助于机械搅拌的作用，因此超声波用于电池浆料混合时理想的方法是与机械搅拌结合起来使用。

中国申请号为200410027769.9公开了锂离子电池浆料混合方法及混合设备，包括容器和搅拌机，在容器壁上装有与超声波发生器连接的超声波能换能器，超声波换能器的发射头浸入容器内的物料中。此专用混合设备适用于各种悬浮液、乳液的微粒进行分散，使物料充分混合。但该声波能换能器在容器内的位置固定，方向固定，因此一方面超声波作用范围受到一定限制，而且超声波与机械搅拌各施其职，发挥的作用有限，而且，在需要进行周转的容器上装超声波换能器，一方面每次使用需要接插超声波驱动电源，另一方面需要在每只容器上安装换能器不但成本高而且在容器周转过程中换能器容易受到碰撞而损坏。

中国申请号为201110033942.6公开了浆料混合设备，包括浆料搅拌装置和与其连通的浆料循环容器，浆料循环容器中分布有至少一组超声波分散装置，也就是超声波换能器。超声波分散器设置在搅拌容器外，超声波只能对从搅拌装置的容器中抽到安装有超声波分散器的浆料循环容器中的浆料进行超声波分散，这种方式超声波分散器只能对从搅拌容器中的部分用泵抽到循环容器中的浆料进行超声波作用、超声波作用效率相对比较低，并且超声波作用时间也因此受限，要完成整个搅拌容器上的浆料的超声波处理需要较长的时间，另一方面由于浆料通过泵和管道从搅拌容器中送到装有超声波分散器的循环容器中进行超声波处理，这些输送管道与泵很难彻底清理，不但在进行浆料配方切换时容易造成两种浆料的互混，这种不易清洁的管道也很容易产生浆料的板结，对于对结块、团粒等要求极高的锂离子电池浆料来说存在着重大的质量隐患。

中国申请号为201320526681.6公开了循环式电池浆料超声波分散装置，包括浆料超声分散装置，浆料超声分散装置包括具有分散腔的浆料桶、与将浆料桶相适配的桶盖以及至少一组超声组件，超声组件安装于桶盖上，超声组件包括桶盖上部的密闭式外壳和设于外壳内的超声波换能器，超声波换能器与外壳外部的超声波发生器电连接。这种结构的装置存在如上述专利同样的问题，包括201020574471.0公开的高效电池浆料均质系统都存在上述同样的问题。

有鉴于此，本领域技术人员有必要研发一种能解决上述技术问题的电池浆料超声波混合设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种效率高、分散效果好的电池浆料超声波混合设备，该混合设备在常规搅拌混合机构的基础上加入了跟随浆叶转动的超声波换能器，由于超声波换能器安装在桨叶上、搅拌时与桨叶一起转动，从而具有较好的浆料均质效果，同时由于设备的机械搅拌结构与常规的混合机基本上是完全一致，结构成熟、不存在任何的质量隐患，而且可以根据浆料的特点配合机械搅拌任意设置超声波开启的时间与时长，因此具有最强的适应性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：电池浆料超声波混合设备，包括真空容器与搅拌机构，真空容器包括料桶和真空罩，搅拌机构固定在真空罩上，其特征在于所述的搅拌机构包括公转电机、空心主轴、公转基座板、安装于公转基座板上的刮臂和至少一组浆叶组件，超声波换能器安装于所述的刮臂或浆叶组件的桨叶上，超声波换能器的驱动电源线从刮臂或桨叶接入到空心主轴的空腔中，再通过空心主轴上的一级导电滑环引出到外置的超声波驱动电源上，当公转电机通过空心主轴带动公转基板及安装在公转基板上的刮臂与浆叶公转时，外置的超声波驱动电源可以驱动超声波换能器工作。

本发明进一步的优选方案为：桨叶组件的桨叶中心轴通过第一传动齿轮与真空罩内的静态大内齿齿轮啮合，使当桨叶随公转基座板公转时桨叶产生自转，安装在桨叶上的超声波换能器的驱动电源线通过桨叶中心轴上的二级导电滑环引入到空心主轴的空腔中。

本发明进一步的优选方案为：还包括自转电机和受所述的自转电机驱动的同心轴，同心轴套在空心主轴外并安装有第二传动齿轮，该第二传动齿轮与桨叶组件的桨叶中心轴上的第一传动齿轮啮合从而带动桨叶自转，安装在桨叶上的超声波换能器的驱动电源线通过桨叶中心轴上的二级导电滑环引入到空心主轴的空腔中。

本发明进一步的优选方案为：空心主轴上设有真空轴封，并且空心主轴的空腔与超声波换能器的驱动电源线之间填充有密封材料。

本发明进一步的优选方案为：所述的自转电机驱动的同心轴与公转电机驱动的空心主轴之间设有真空轴封。

本发明进一步的优选方案为：公转电机与自转电机均有减速机构传动。

本发明进一步的优选方案为:真空罩上设置有抽真空管路、真空破坏口，以及粉料与液体投料口，这些抽真空管路、真空破坏口，以及粉料与液体投料口均装有电控真空阀，在抽真空期自动关闭。

本发明进一步的优选方案为：所述的超声波换能器驱动电源线包裹有具有耐真空压力的不锈钢管。

本发明进一步的优选方案为：还包括一个真空容器与搅拌机构外部的隔音罩，隔音罩上设置有门体，门体打开后拉出真空料桶。

与现有技术相比，本发明的优点是超声波换能器安装在真空容器的浆叶上或刮臂上，浆叶或刮臂对真空容器内的电池浆料进行搅拌或翻动时，同时跟随浆叶转动的超声波换能器也一起转动或翻动，不断地触各部分的电池浆料，从而充分地发挥超声波强化分散的均质化效果，因此对搅拌过程中电池浆料具有更好的分散效果，尤其是在对浆料的充分接触中对易团聚及板结材料的击碎、分散效应，解决了浆料混合中的这一难题：利用超声波在液体中产生的空泡效应在空泡破裂时产生的冲击力来击碎、分散团聚与板结的粉体，并使其快速分散。

这种随着桨叶转动的超声波换能器产生的强烈的分散效果解决了湿混合时浆料成团的问题：当液体与粉体中进行湿混合时，由于粉体中强吸湿性的增稠剂的存在，先吸收液体的增稠剂包裹了内部的粉体，阻止了液体进一步进入到粉体被这些已经吸湿的材料的内部，从而形成一颗颗的小团，这种小团如果采用单纯的机械搅拌的话需要相当长时间的连续搅拌，而超声波的强烈冲击作用，再加上机械搅拌，就可以轻易击碎这引些小团，可以在很短地时间内就把这些小团拌开、拌均。

强吸液性增稠材料的分散：通过强裂的振动，不但可以将强吸液性材料在水中充分“撕碎”、防止产生中间空气封闭而造成材料的结团问题，还可以使这些增稠材料通过均匀分散从而使其增稠性更好。

附图说明

图1为本发明的实施例一超声波混合设备的结构图；

图2为本发明的实施例二超声波混合设备的结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

电池浆料超声波混合设备作为一种装置，首先由一个隔音罩将整个混合设备罩起来，防止高能超声波对人体造成损害。

混料时，需要根据混料的不同工艺设置超声波的开启时间。如果是先加液体材料再分步加入粉体材料，则在加入液体材料后即可以开启超声波，在开启超声波的情况下分步加入各种粉体材料；如果混合工艺是先加粉体材料再加液体材料(包括分步加入液体材料)，则只有在液体材料全部加入并且机械搅拌若干时间后再开启超声波。

为了进一步提高超声波的分散作用，采取间歇开启的方式，并且超声波的功率根据不同的浆料，包括浆料中的材料性质、浆料密度、粘度以及浆料的总量多少等来设定。

隔音罩上设置有门体，门体打开后，可拉出装有电池浆料的料桶11。

工艺流程一：

真空罩12及搅拌机构2被固定在可升降机架上。先升起真空罩，在真空罩下方推入已装有粉料的料桶11，再降下真空罩12，真空罩12压住料桶11使之具有良好的密封性能；接着加入部分液体材料，用慢速搅拌一两分钟后，加入剩余的液体材料，高速搅拌二四分钟，然后进行真空搅拌模式：先将搅拌速度改为慢速搅拌，同时开始抽真空，在真空度达到要求后改为快速搅拌，快速搅拌若干分钟后破坏真空(通过真空破坏口放入空气)，同时搅拌速度降为慢速搅拌；真空破坏、压力恢复到常压后真空搅拌结束，然后搅拌速度改为高速搅拌并开启超声波，即为超声波搅拌模式。超声波搅拌模式持续五分钟左右结束，关闭超声波并再一次进入真空搅拌模式，真空搅拌结束、真空破坏后再开启超声波进入超声波模式五分钟，超声波模式结束后持续进行高速搅拌，然后每隔十五分钟左右开启五分钟左右的超声波，直至完成搅拌。在完成搅拌前，先开启超声波五分钟，再进行一次真空搅拌，真空搅拌结束后再开启超声波搅拌五分钟，即完成浆料混合，升起真空罩12，拉出料桶11。

工艺流程二：

真空罩12及搅拌机构2被固定在可升降机架上,真空罩12的公转基座下方分别装有粉料加料口112、液体加料口111、真空抽气口123及真空破坏口124。混料时先升起真空罩12，在真空罩12下方推入料桶11，再降下真空罩12、使真空罩12压住料桶11并使其具有良好的密封性能。先从粉料加料口加入经过干混合的粉料，再加入部分(5070％)液体材料，用慢速搅拌两分钟左右，加入剩余的液体材料，开启超声波，并转入高速搅拌二四分钟，然后转入真空搅拌模式。真空搅拌后开启超声波并改为快速搅拌，进入超声波搅拌模式，超声波模式五分钟后关闭超声波，快速搅拌十五分钟后再进行真空搅拌。第二次真空搅拌结束后即进入超声波搅拌五分钟、快速搅拌十五分钟的常规搅拌状态，常规搅拌状态的时间根据浆料具体情况定，常规搅拌结束后，先开启超声波五分钟，再进行一次真空搅拌，真空搅拌结束后再开启超声波搅拌五分钟，即完成浆料混合，升起真空罩12，拉出料桶11。

工艺流程三：

真空罩12及搅拌机构2被固定在可升降机架上,真空罩12的公转基座下方分别装有粉料加料口112、液体加料口111、真空抽气口123及真空破坏口124。混料时先升起真空罩12，在真空罩12下方推入料桶11，再降下真空罩12、使真空罩12压住料桶11并使其具有良好的密封性能。先从液体加料口111加入全部的液体材料，然后开启慢速搅拌，并打开超声波，超声波为低功率。在慢速搅拌并开启低功率超声波的状态下，分批或连续小批量从粉料加料口112加入经过干混合的粉料。当粉料加过完后，改为快速搅拌，持续二～四分钟后关闭超声波，转入真空搅拌模式。真空搅拌结束、真空破坏后，全功率开启超声波转入超声波搅拌模式五分钟，然后关闭超声波进行快速搅拌十五分钟后再进入第二次真空搅拌，第二次真空搅拌结束后先进行超声波搅拌五分钟，即进入快速搅拌十五分钟、超声波搅拌五分钟交替进行的常规搅拌状态。常规搅拌约两小时后，再进行一次真空搅拌，真空搅拌结束后再进行五分钟的超声波搅拌，即完成浆料混合，升起真空罩12，拉出料桶11。

实施例一：如图1所示，电池浆料超声波混合设备，包括真空容器1与搅拌机构2，真空容器1包括料桶11和真空罩12，搅拌机构2固定在真空罩12上，搅拌机构2包括公转电机21、空心主轴22、公转基座板23、安装于公转基座板23上的刮臂24和两组组浆叶组件25，超声波换能器3安装于刮臂24或浆叶组件25的桨叶251上，超声波换能器3的驱动电源线31从刮臂24或桨叶251接入到空心主轴22的空腔221中，再从空心主轴22的一级导电滑4环引出到外置的超声波驱动电源5上，当公转电机21通过空心主轴22带动公转基板23及安装在公转基板23上的刮臂24与浆叶251公转时，外置的超声波驱动电源5可以驱动超声波换能器3工作。

驱动电源线31在真空容器1以及空心主轴22内的分布如图1所示的虚实线。

由于超声波换能器3内置在真空容器1中跟随浆叶组件25转动，真空容器1内部的超声波换能器3的电源驱动线31势必会一起转动，而电源驱动线31是从位于混合设备外部的超声波驱动电源5接入，因此引入导电滑环4、7将真空容器1内部的驱动电源线31与外部的驱动电源线31有一个良好的连接，从而避免驱动电源线打结或缠绕。该导电滑环4、7可采用常规市售的产品。

导电滑环4、7属于电接触滑动连接器，又称为集电环，或旋转关节，特别适合应用于无限制的连续旋转，从固定位置到旋转位置传送电力的场所。

桨叶组件25的桨叶中心轴252通过第一传动齿轮253与真空罩12内的静态大内齿齿轮121啮合，当桨叶251随公转基座板23公转时与静态大内齿齿轮121啮合的第一传动齿轮253发生自转，从而带动桨叶中心轴252和桨叶251自转，安装在桨叶251上的超声波换能器3的驱动电源线31通过桨叶中心轴252上的二级导电滑7环引入到空心主轴22的空腔221中。浆叶中心轴252通过轴承安装在公转基座板23上，以使浆叶能产生自转。

如图1所示，电池浆料的液面L在公转基座板以下的位置，超声波换能器处于液面以下，向浆料发出超声波，分散浆料的效果更好。

空心主轴22上设有真空轴封，并且空心主轴22的空腔221与超声波换能器3的驱动电源线31之间填充有密封材料。超声波换能器3的驱动电源线31包裹有具有足够耐真空压力的不锈钢管。

公转电机21通过减速机构传动，减速机构包括公转电机21上的小皮带轮211与空心主轴22上的大皮带轮223通过皮带81连接。真空罩12上设置有抽真空管路123、真空破坏口124、粉料投料口112及液体投料口111，这四个口均由电控阀控制打开或关闭。

如图1所示，具体到浆叶251的形状上，可以是框型结构，为三边形或四边形的结构，只要有利于搅拌的结构即可。超声波换能器3直接安装在浆叶的外表面，电源驱动线31可分布固定在浆叶组件的外表面或内部。

实施例二：如图2所示，其他部分与实施例相同，其不同之处还包括自转电机9和受自转电机9驱动的同心轴10，同心轴10套在空心主轴22外并安装有第二传动齿轮101，该第二传动齿轮101与桨叶组件25的桨叶中心轴252上的第一传动齿轮253啮合带动桨叶251自转，安装在桨叶251上的超声波换能器3的驱动电源线31通过桨叶中心轴252上的二级导电滑环7引入到空心主轴22的空腔221中。自转电机9驱动的同心轴10与公转电机21驱动的空心主轴22之间设有真空轴封224。

图2所示的公转电机21与自转电机9均通过减速机构传动。与自转电机9配合的减速机构包括公转电机9上的小皮带轮91与同心轴10上的大皮带轮102通过皮带82连接。

以上对本发明所提供的电池浆料超声波混合设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.电池浆料超声波混合设备，包括真空容器与搅拌机构，真空容器包括料桶和真空罩，搅拌机构固定在真空罩上，其特征在于所述的搅拌机构包括公转电机、空心主轴、公转基座板、安装于公转基座板上的刮臂和至少一组浆叶组件，超声波换能器安装于所述的刮臂或浆叶组件的桨叶上，超声波换能器的驱动电源线从刮臂或桨叶接入到空心主轴的空腔中，再从空心主轴的一级导电滑环引出到外置的超声波驱动电源上，当公转电机通过空心主轴带动公转基板及安装在公转基板上的刮臂与浆叶公转时，外置的超声波驱动电源可以驱动超声波换能器工作。

2.根据权利要求1所述的电池浆料超声波混合设备，其特征在于桨叶组件的桨叶中心轴通过第一传动齿轮与真空罩内的静态大内齿齿轮啮合，使桨叶随公转基座板公转时产生自转，安装在桨叶上的超声波换能器的驱动电源线通过桨叶中心轴上的二级导电滑环引入到空心主轴的空腔中。

3.根据权利要求1所述的电池浆料超声波混合设备，其特征在于还包括自转电机和受所述的自转电机驱动的同心轴，同心轴套在空心主轴外并安装有第二传动齿轮，该第二传动齿轮与桨叶组件的桨叶中心轴上的第一传动齿轮啮合带动桨叶自转，安装在桨叶上的超声波换能器的驱动电源线通过桨叶中心轴上的二级导电滑环引入到空心主轴的空腔中。

4.根据权利要求1所述的电池浆料超声波混合设备，其特征在于空心主轴上设有真空轴封，并且空心主轴的空腔与超声波换能器的驱动电源线之间填充有密封材料。

5.根据权利要求3所述的电池浆料超声波混合设备，其特征在于所述的自转电机驱动的同心轴与公转电机驱动的空心主轴之间设有真空轴封。

6.根据权利要求3所述的电池浆料超声波混合设备，其特征在于公转电机与自转电机均通过减速机构传动。

7.根据权利要求2或3的电池浆料超声波混合设备，其特征在于真空罩上设置有抽真空管路。

8.根据权利要求1所述的电池浆料超声波混合设备，其特征在于所述的超声波换能器的驱动电源线包裹有具有足够耐真空压力的不锈钢管。

9.根据权利要求1所述的电池浆料超声波混合设备，其特征在于还包括一个真空容器与搅拌机构外部的隔音罩，隔间罩上设置有门体，门体打开后拉出真空容器。