Применение ультразвукового оборудования для удаления пены из сепараторов литий-ионных аккумуляторов

Применение ультразвукового оборудования для дегазации сепараторов литий-ионных аккумуляторов

При производстве сепараторов литий-ионных аккумуляторов (например, в процессах двуосного растяжения в мокром состоянии) полимерные растворы (например, суспензия PP/PE) склонны к образованию микропузырьков из-за перемешивания, транспортировки или особенностей состава. Если эти микропузырьки остаются в сепараторе, они могут привести к неравномерной пористости, снижению механических свойств и даже повлиять на безопасность аккумулятора. Ультразвуковая дегазация, основанная на эффекте акустической кавитации, может эффективно удалять растворенные газы и микропузырьки из суспензии, не повреждая структуру материала сепаратора.

Конкретный метод применения следующий:

I. Основной принцип
Когда ультразвук воздействует на полимерную суспензию, внутри жидкости генерируются высокочастотные колебания давления (цикл сжатия-расширения):

Стадия низкого давления: в суспензии образуются микро-вакуумные пузырьки (кавитационные ядра);

Газы, растворенные в суспензии (например, воздух, газы испарения растворителя), непрерывно диффундируют к кавитационным ядрам, вызывая быстрое увеличение пузырьков;

Под воздействием плавучести и ультразвуковой вибрации пузырьки собираются и всплывают на поверхность, в конечном итоге выходя из поверхности суспензии, тем самым достигая дегазации.

По сравнению с традиционной механической дегазацией (которая легко повреждает однородность суспензии) и химическими пеногасителями (которые могут вносить примеси), ультразвуковая дегазация имеет такие преимущества, как отсутствие вторичного загрязнения, тщательная дегазация и отсутствие влияния на характеристики суспензии.

II. Выбор и конфигурация оборудования

1. Выбор основного оборудования

Тип оборудования | Основные требования к параметрам | Основание для выбора

Ультразвуковой генератор | Частота 20-80 кГц (рекомендуется 40 кГц, для баланса эффективности дегазации и стабильности суспензии); Мощность 500-3000 Вт (регулируется в соответствии с объемом резервуара для суспензии, рекомендуется 10-20 Вт/л); Поддерживает непрерывно регулируемую мощность и автоматическое отслеживание частоты. Слишком высокая частота (>80 кГц) ослабляет эффект кавитации и снижает эффективность дегазации; слишком низкая частота (<20 кГц) может вызвать локальный перегрев суспензии или разрыв полимерных молекулярных цепей.

Ультразвуковой преобразователь | Пьезоэлектрический керамический материал (высокая стабильность, высокая эффективность преобразования энергии); Способ установки: погружной или настенный. Погружные преобразователи непосредственно контактируют с суспензией для более прямой дегазации; настенные преобразователи подходят для герметизации резервуара для суспензии, чтобы избежать загрязнения.

Резервуар для суспензии / реактор | Материал: нержавеющая сталь 316L (стойкая к растворителям); встроенная перегородка (для создания циркулирующего потока суспензии, избегая мертвых зон при локальной дегазации); оснащен устройством контроля температуры (температура ≤60℃, предотвращает чрезмерное испарение растворителя или желатинизацию суспензии). Диафрагменные суспензии часто содержат органические растворители, такие как гексан и парафиновое масло, требующие коррозионностойких материалов; контроль температуры предотвращает локальные высокие температуры, генерируемые ультразвуковой кавитацией, от воздействия на характеристики суспензии.

2. Вспомогательная конфигурация

Вакуумная система: Оснащена вакуумным насосом с уровнем вакуума -0,06~-0,08 МПа, используется в сочетании с ультразвуком (вакуумная среда снижает растворимость газов в суспензии, ускоряет всплытие пузырьков и повышает эффективность дегазации более чем на 30%);

Устройство перемешивания: Медленное перемешивание (30-60 об/мин) позволяет избежать образования новых пузырьков при высокоскоростном перемешивании, способствуя равномерному контакту суспензии с ультразвуковой энергией;

Устройство фильтрации: Перед тем, как суспензия попадает в экструдер/формовочную машину, она проходит через фильтр точностью 5-10 мкм для перехвата небольшого количества крупных пузырьков (диаметр > 10 мкм), которые не вышли, что дополнительно обеспечивает плоскостность диафрагмы.

III. Конкретные рабочие процедуры

1. Этап предварительной обработки

Приготовление суспензии: Смешайте порошок PP/PE, пластификатор, растворитель и т. д. в соответствии с формулой для получения однородного полимерного раствора (содержание твердых веществ 20%-40%);

Осмотр оборудования: Убедитесь, что на поверхности ультразвукового преобразователя нет прилипших веществ (например, остатков суспензии, примесей), что генератор и преобразователь правильно подключены и что резервуар для суспензии хорошо герметизирован (если используется вакуумное взаимодействие).

2. Процедура дегазации

Впрыск суспензии: Впрысните подготовленную полимерную суспензию в резервуар для суспензии, оснащенный ультразвуковым устройством. Контролируйте уровень жидкости на уровне 70%-80% от объема резервуара (чтобы избежать перелива во время дегазации из-за чрезмерного уровня жидкости).

Настройка параметров: Включите ультразвуковой генератор, установите частоту на 40 кГц, плотность мощности на 15 Вт/л и начальное время работы на 30-60 минут (отрегулируйте в соответствии с содержанием пузырьков). При использовании вакуумной системы сначала откачайте воздух до -0,07 МПа, прежде чем запускать ультразвуковой процесс.

Мониторинг процесса:

Наблюдайте за поверхностью суспензии: Если равномерные пузырьки продолжают выходить, дегазация проходит нормально. Если количество пузырьков резко уменьшается, уменьшите мощность или сократите время.

Обнаружение состояния суспензии: Обнаруживайте размер частиц пузырьков в суспензии с помощью лазерного анализатора размера частиц (остаточный диаметр пузырьков < 5 мкм и количество ≤ 10/мл); обнаруживайте изменения вязкости суспензии с помощью ротационного реометра (колебания ≤ 5%, чтобы избежать разрыва полимерных молекулярных цепей).

Контроль температуры: Если температура суспензии превышает 50℃, уменьшите ультразвуковую мощность или включите систему охлаждения для поддержания температуры. 40-50℃;

Последующая обработка: После дегазации выключите ультразвуковую и вакуумную системы, поддерживайте медленное перемешивание и подавайте суспензию через фильтр в следующий процесс (литье, растяжение и т. д.), чтобы предотвратить повторное образование пузырьков в суспензии после отстаивания.

3. Ключевые рабочие моменты

Избегайте длительной непрерывной работы ультразвуковой системы (рекомендуется останавливать на 10 минут каждые 60 минут работы), чтобы предотвратить локальный перегрев суспензии или усталостное повреждение преобразователя;

Положение установки преобразователя: Погружные преобразователи должны находиться на расстоянии 10-20 см от дна резервуара и 5-10 см от стенки резервуара и равномерно распределены (один преобразователь на 1-2 м² площади дна резервуара), чтобы избежать концентрированной энергии, вызывающей разбрызгивание суспензии;

Время координации вакуума и ультразвука: Сначала откачайте воздух из резервуара в течение 10 минут, чтобы удалить воздух, затем запустите ультразвуковую систему. Это уменьшает образование новых пузырьков и улучшает эффект дегазации.

IV. Общие проблемы и решения

Явление проблемы | Возможная причина | Решение

Многочисленные микропузырьки остаются в суспензии после дегазации | 1. Недостаточная ультразвуковая мощность или неправильная частота; 2. Слишком высокая вязкость суспензии (газу трудно диффундировать); 3. Отсутствие вакуумной координации | 1. Увеличьте плотность мощности до 18-20 Вт/л, отрегулируйте частоту до 40 кГц; 2. Соответственно увеличьте соотношение растворителя, уменьшите вязкость суспензии (контролируйте на уровне 1000-5000 мПа・s); 3. Включите вакуумную систему и поддерживайте уровень вакуума -0,07 МПа

Аномально высокая/низкая вязкость суспензии | 1. Чрезмерная ультразвуковая мощность (приводящая к разрыву полимерных молекулярных цепей или желатинизации); 2. Чрезмерно высокая температура суспензии | 1. Уменьшите плотность мощности до 10-12 Вт/л, сократите время одного запуска; 2. Усильте контроль температуры, поддерживайте температуру ниже 40℃

Образование накипи/прилипание суспензии на поверхности преобразователя | Остатки полимера прилипают после испарения растворителя После каждого использования очищайте поверхность преобразователя соответствующим растворителем (например, гексаном), чтобы избежать остатков, влияющих на передачу энергии.

В готовой диафрагме все еще есть поры/неравномерный размер пор. 1. Неполная дегазация, оставшиеся пузырьки; 2. Недостаточная точность устройства фильтрации.
1. Увеличьте время работы ультразвука до 60 минут и оптимизируйте параметры вакуума; 2. Улучшите точность фильтра до 5 мкм и регулярно заменяйте фильтрующую мембрану.

V. Направления оптимизации процесса

Параметрическая синергетическая оптимизация: Определите оптимальную комбинацию с помощью ортогональных экспериментов (например, частота 40 кГц + плотность мощности 15 Вт/л + степень вакуума -0,07 МПа + температура 45℃), что может снизить количество остаточных пузырьков до уровня ниже 5 пузырьков/мл;

Многоступенчатая конструкция дегазации: Установите ультразвуковые устройства в резервуаре для приготовления суспензии, резервуаре для переноса и буферном резервуаре перед экструзией для достижения «сегментированной дегазации + поэтапной очистки», что еще больше снижает риск остаточных пузырьков;

Интеллектуальное управление: Внедрите онлайн-датчик обнаружения пузырьков (основанный на принципе лазерного рассеяния) для мониторинга содержания пузырьков в суспензии

в режиме реального времени, автоматически регулируйте ультразвуковую мощность, степень вакуума и скорость перемешивания для достижения управления с обратной связью.

VI. Меры предосторожности

Защита безопасности: Надевайте защитные перчатки и очки во время работы, чтобы избежать вдыхания летучих паров органических растворителей; убедитесь, что ультразвуковой генератор правильно заземлен, чтобы предотвратить утечку электричества.

Техническое обслуживание оборудования: Регулярно (каждые 1-2 месяца) калибруйте частоту и мощность ультразвука и проверяйте герметичность преобразователя (чтобы предотвратить просачивание растворителя, приводящее к короткому замыканию).

Совместимость суспензии: Новые составы суспензии требуют мелкомасштабного тестирования (500 мл) для проверки влияния ультразвуковых параметров на молекулярную массу полимера и вязкость суспензии, избегая проблем с качеством при массовом производстве.

Благодаря вышеуказанным мерам ультразвуковое оборудование может эффективно удалять пузырьки воздуха из суспензий сепараторов литиевых батарей, значительно улучшая однородность пор, прочность на разрыв и пробивное напряжение сепаратора, тем самым обеспечивая безопасность и срок службы литиевых батарей.