DEM（离散元方法）模拟和PEPT（脉冲电位测试）技术用于研究Eirich混合器中干法混合NMC 622阴极材料的动态过程

《Powder Technology》：DEM simulations and PEPT measurements of the dynamics of dry mixing NMC 622 cathode material in an Eirich mixer

干式混合工艺在电池电极材料制备中的应用研究通过实验与数值模拟发现，使用Eirich混合器进行NMC 622材料的干式混合时，随着转子线速度增加（10-30 m/s），材料与转子的接触面积减少，导致高速下自由表面脱离转子，形成颗粒气体区域，虽然混合效率提升但边际效益递减，建议优化转子转速以平衡能耗与混合效果。

　　随着电动汽车的普及和对可再生能源的需求增加，电池制造的重要性日益凸显。电池材料的制备工艺，尤其是电极材料的混合过程，是影响电池性能和制造效率的关键环节。传统上，电池电极材料的混合通常涉及有机溶剂，这不仅增加了生产成本，还带来了环境污染和能源消耗的问题。因此，研究干式混合技术，以消除有机溶剂和降低干燥步骤的能耗，成为提升电池制造可持续性的有效途径。

干式混合，即在无溶剂条件下将电极材料混合，相较于湿式混合具有显著的优势。通过实验和模拟相结合的方法，本研究探讨了干式混合过程中NMC 622（一种常用的锂离子电池正极材料）的混合动力学，并分析了混合效率与内部旋转器速度之间的关系。研究中采用了一种名为Eirich的混合器，该混合器以其旋转盘和壁刮器的结构特点，能够在多种规模下实现材料的高效混合。实验数据通过正电子发射粒子追踪（PEPT）技术获取，而模拟数据则基于离散元法（DEM）进行分析。PEPT技术通过跟踪放射性示踪粒子，能够提供关于粒子速度、停留时间、混合动态和多种关键动态特性的测量结果，适用于不透明材料。DEM则是一种计算方法，通过模拟粒子间的相互作用来预测混合行为。

实验中，内部旋转器的速度被设置为10 m/s、20 m/s和30 m/s，而旋转盘的转速保持恒定为0.7 m/s。研究发现，PEPT和DEM数据均显示，粒子速度在靠近旋转器的位置达到峰值，然后逐渐降低至壁刮器区域，该区域的材料流动受到干扰，从而提高了混合效果。壁边缘的速度则保持不变，这是由于旋转盘的固定转动运动所导致的。此外，两种方法都捕捉到了一个此前未被观察到的现象，即在较高的旋转器速度下，电极材料的自由表面会从旋转器上分离，从而降低混合性能。这一现象通过估算瞬时混合时间，并使用Lacey混合指数进行验证，进一步揭示了混合效率随速度变化的趋势。

值得注意的是，随着旋转器速度的增加，混合性能的提升逐渐趋于平缓，这表明在某些材料中，使用较低的速度可能更加经济和环保。这种趋势为优化混合过程提供了理论依据，即在确保混合质量的前提下，降低能耗。这一研究不仅有助于理解当前干式混合过程的动态特性，还为未来开发更高效的混合设备和工艺提供了参考。

此外，本研究的实验设计采用了多种技术手段，以确保数据的准确性和可靠性。例如，通过过滤PEPT数据，去除了统计上不稳定的区域，从而得到更精确的混合动力学数据。过滤方法基于粒子占有率，即粒子在给定位置的停留时间比例，这有助于提高实验数据与模拟数据之间的可比性。同时，研究中还采用了粗粒化方法，以减少计算负担并提高模拟效率。粗粒化是将多个粒子模拟为一个代表性粒子，这在处理大规模粒子系统时尤为有效。通过将模拟参数与实际实验结果进行校准，确保了模拟结果的准确性。

在实验过程中，研究团队还分析了混合器中粒子的流动特性，包括粒子速度、粒子轨迹和混合区域的分布。通过生成深度平均的速度热图，可以清晰地看到混合器内部的流动模式。这些热图显示了混合器不同区域的速度变化，以及旋转器和壁刮器对材料流动的影响。在旋转器附近，速度最高，而在壁刮器附近，速度则显著降低，这表明壁刮器在材料混合中起到了重要的作用。

研究还探讨了混合过程中粒子的随机运动特性，即颗粒温度。颗粒温度用于描述颗粒材料中粒子的随机运动和动能，类似于分子系统中的热温度。通过计算颗粒温度，研究团队发现，随着旋转器速度的增加，颗粒温度在旋转器周围的区域也随之增加，这导致了材料的自由表面从旋转器上分离。这种分离现象在PEPT和DEM数据中均有所体现，表明混合器设计中的某些因素，如旋转器和壁刮器的相对运动，对材料的混合效果具有重要影响。

通过使用Lacey混合指数，研究团队评估了不同旋转器速度下的瞬时混合时间。该指数通过将模拟粒子分为两组，并计算它们随时间的混合程度来评估混合效率。结果表明，虽然提高旋转器速度可以加快混合速率，但其效果逐渐减弱。这表明在较高旋转器速度下，混合效率的提升幅度较小，而能量消耗却显著增加。因此，选择合适的旋转器速度，以在混合效率和能耗之间取得平衡，成为优化干式混合工艺的关键。

本研究还对不同混合器类型的文献进行了综述，展示了DEM模拟在多种混合器中的应用及其主要发现。例如，对于螺旋桨式混合器、桨叶式混合器、刀片式混合器和犁铧式混合器，DEM模拟显示了混合性能与工具速度、填充高度和粒子特性之间的关系。这些发现为理解不同混合器的性能提供了理论基础，也为未来研究提供了参考。

研究中使用的Eirich混合器具有独特的设计特点，如旋转盘和壁刮器，这些设计使得其在不同规模下具有较高的适用性。通过对比PEPT和DEM数据，研究团队发现两者在混合动力学方面表现出良好的一致性，尽管在某些细节上存在差异。例如，PEPT数据在靠近旋转器的位置显示出较低的速度，这可能是由于PEPT速度计算的平均特性所致。然而，整体趋势和混合区域的分布与DEM模拟结果高度吻合，这表明DEM模型能够准确地模拟Eirich混合器的混合行为。

此外，研究团队还考虑了空气流动对粒子运动的影响。通过计算Stokes数，他们发现粒子的运动主要受到空气流动的驱动，这表明在干式混合过程中，空气流动对混合效果具有一定的贡献。然而，随着旋转器速度的增加，空气流动对混合的影响逐渐减弱，这可能与混合器内部的流动模式变化有关。

本研究的结论表明，提高旋转器速度虽然能加快混合过程，但其效果逐渐减弱，因此，在优化干式混合工艺时，应综合考虑混合效率和能耗。同时，研究还指出，对于NMC 622等材料，干式混合的混合性能与湿式混合存在差异，这可能与材料的物理特性和混合器的设计有关。因此，未来的混合工艺优化应结合材料特性，以实现最佳的混合效果和能源利用效率。

综上所述，本研究通过实验和模拟相结合的方法，深入探讨了干式混合过程中NMC 622的混合动力学，并分析了混合效率与旋转器速度之间的关系。研究结果不仅揭示了干式混合的潜在优势，还为优化混合工艺提供了理论支持。通过提高对混合过程的理解，可以进一步推动电池制造技术的可持续发展，减少能源消耗和环境影响。