石川型攪拌破碎機D101S在全固態電池生產上的運用分析

發布日期：2024-05-10      瀏覽次數：691

石川型攪拌破碎機D101S在全固態電池生產上的運用分析

使用D101S的全固態電池的原型制作及其評估結果

概述

　我們驗證了石川式攪拌破碎機D101S在全固態電池原型生產中的有效性。

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電池進行了比較，并將報告評估結果。

*全固態電池的原型生產和評估外包給外部組織。（我借給他D101S）

結論

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

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

 

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，如果進一步增加研磨時間，則可以將固體電解質制成更細的顆粒，并且可以獲得更高的充放電特性。

使用的設備和材料

設備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 ）

 

使用的固體電解質材料：　Li 6 PS 5 Cl


測量程序

1. 固體電解質壓碎試驗

<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氣氛下進行固體電解質的粉碎試驗。
設備：石川型攪拌破碎機　D101S
處理量：　5 g
轉速：　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或更低)將固體電解質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行破碎試驗
設備：Fritsch行星式球磨機P-6
吊艙：　45cc　× 1
轉速：　100rpm
。球直徑：　φ3 mm
球材質： 氧化鋯
球數量：　60 g
SE輸入量：　2克
處理時間：　10分鐘

2. 固體電解質的評價

<粒度分布/濕式粒度分布的比較>
通過低露點環境下的濕式粒度分布測定來評價粉碎前后的固體電解質的粒度分布。
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
粒徑標準：體積標準
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：更換樣品并測量兩次<

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

/離子電導率測量/ AC阻抗測量
測量裝置：高性能電化學測量系統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。
溫度：25℃固體電解質厚度測量：在評價后在
五個點測量 通過分解電池獲得的固體電解質顆粒的厚度。?離子電導率的計算 σ = L / (R x A) σ : 離子電導率/S/cm, L : 樣品厚度/cm, A : 樣品截面積/cm

2 , R : 電阻 ( R 0 ) / Ω
關注點：破碎過程導致離子電導率的變化

3. 全固態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：固體電解質：導電助劑 = 74 : 23 : 3 wt.%
負極活性物質：固體電解質 = 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電池。使用的電極：制備的正極混合物、制備的負極混合物固體電解質：Li 6 PS 5 Cl顆粒尺寸：1cm 2壓制壓力：600MPa　　　　　　



	正極復合層	固體電解質層	負極復合層
細胞1	使用行星式球磨機	未研磨的固體電解質	使用行星式球磨機
細胞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：高性能電化學測定系統VMP-300（Bio-Logic公司制造）
試驗條件

不。	模式	當前的	過渡條件			溫度
			電壓	當前的	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

循環次數：1～No.5 3個循環

 

<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

循環數：一邊改變CC放電的施加電流，一邊一次1個循環地進行測定。

檢測結果

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的狀態。




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破碎試驗中的回收率。兩種設備的回收率約為98%，沒有觀察到重大差異。

表1各裝置固體電解質回收率

設備	輸入固體電解質重量（g）	回收固體電解質重量(g)	恢復率 （％）
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的粒度分布測量結果。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行。另一方面，在通過行星式球磨機粉碎的產品的情況下，與未粉碎的產品相比，存在1μm以下的顆粒減少、10μm以上的顆粒增加的趨勢，這表明固體電解質顆粒由于球的碰撞能量而結合在一起，這表明了造粒的可能性。為了詳細比較顆粒形態，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慎。

 

表2各裝置粉碎固體電解質的中值直徑

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









圖1 各設備粉碎固體電解質粒度分布對比

離子電導率比較

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的離子電導率測量結果。從離子電導率測量結果來看，與未粉碎的產品相比，石川攪拌破碎產品和行星式球磨機產品均未觀察到離子電導率顯著降低。

 

表3各裝置粉碎固體電解質的離子電導率

樣本	離子電導率（S/cm）
未研磨產品	4.07× 10-3
石川型攪拌破碎機（D101S）破碎產品	3.45× 10-3
行星式球磨機粉碎產品	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制造的硫化物全固態電池的初始3次循環充放電測試的結果，表4顯示了結果交流阻抗測量結果如圖3所示。從充放電測試和交流阻抗測量結果來看，石川攪拌破碎產品與行星式球磨機產品在性能上沒有觀察到顯著差異。

充放電測試結果

表4初次充放電試驗第3次循環比較（調理）

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









將放電率特性評價的結果示于圖4、圖5、表5、表6 。排出速率特性評價的結果顯示，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）破碎產品	1.53	1.44	1.30	1.19	1,06
行星式球磨機粉碎產品	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）破碎產品	1.53	1.44	1.30	1.19	1,06
行星式球磨機粉碎產品	1.53	1.44	1.30	1.16	1.00

評價結果

根據以上實驗結果，可以考慮以下內容。

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

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

 

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，如果進一步增加研磨時間，則可以將固體電解質制成更細的顆粒，并且可以獲得更高的充放電特性。