锂电池石墨负极涂层热风干燥实验研究

作     者：王亚男 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李徐佳

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂电池 负极涂层 热风 干燥模型 

摘      要：随着全球经济的不断发展和能源危机的爆发,新能源的研究对人类的可持续发展起到至关重要的作用。锂电池作为一种新型储能载体,近年来被广泛应用到日常生活和工业生产中。负极是锂电池的重要组成部分,极片干燥工艺是锂电池生产的重要环节。在干燥过程中,负极涂层水分迁移和热量传递规律是极片生产工艺和节能降耗的理论依据,对干燥设备的设计及运行也起到指导作用。因此,对负极极片涂层干燥过程进行研究具有重要的理论意义和实际价值。本研究选取石墨、导电炭黑作为负极材料,使用增稠剂和粘结剂作为配比材料,进行制浆、涂布,制成石墨负极涂层,在干燥设备内实施干燥过程,得到极片涂层干燥过程的主要特性及基本规律。(1)探讨了涂层热风对流干燥的理论模型,分析了典型物料的干燥规律,确定干燥介质(热风)性质(温度、速度、湿度等)为干燥实验研究的主要影响参数;(2)基础实验。使用电热恒温鼓风干燥箱(GZX-9140MBE)作为干燥设备,选择热风温度和涂层厚度作为实验的主要变量。涂层厚度分别为100μm、150μm和200μm,箱内热风速度约为0.5-0.8m/s,热风温度分别设定为80℃、90℃、100℃及110℃。实验过程中,测取极片实时重量、表面温度,计算得到涂层干基含水率,进而获取涂层的干燥速率并制成干燥特性曲线。实验结果表明:温度越高,厚度越薄,极片达到平衡含水率所需的时间越短,干燥速率越高;热风温度对干燥速度的影响较大,而不同厚度的涂层干燥速度相差不大。(3)在基础实验探明的基本规律上,为进一步综合研究不同厚度涂层在热风速度、温度条件下的干燥特性,选取不同风温(80℃、90℃、100℃、110℃)、不同风速(1.1m/s、1.7m/s、2.3m/s)和不同涂层厚度(100μm、150μm、200μm)作为实验变量,使用实验室专用涂布干燥系统(M12-160-1A-DZ)实施干燥过程。实验结果表明:热风温度、涂层厚度对干燥速率的影响规律与基础实验一致,涂层干燥过程均包括升速干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段;热风速度对干燥速度也有一定的影响程度,风速越高、干燥速度越高。相对于电热恒温鼓风干燥箱,专用涂布干燥系统均流效果较好,涂层温度曲线降速段走势平滑,得到的干燥曲线和干燥速率曲线与基础实验基本一致。(4)为寻求一种适用于描述锂电池极片涂层干燥特性的理论模型,本文基于实验数据,对10种典型的干燥模型进行了非线性拟合和均方差分析,结果显示:与其他9种模型相比,Wang and Singh模型具有最大的决定系数,最小的加权卡方检验系数和标准误差。因此,本文选择该模型用于描述极片涂层在干燥过程中的水分变化,并拟合出模型方程中的物理常数A和B。