電極顆粒尺寸與形狀對電漿粘度的影響

引言

電池在現(xiàn)代生活中十分常見，我們對其依賴性從未像現(xiàn)在這么大。因此，通過生產(chǎn)控制以優(yōu)化電池性能，變得越來越重要。其中，顆粒形狀是需要考慮與控制的重要因素，這是由于不規(guī)則形狀的顆粒不僅降低了包裝密度，也可能導(dǎo)致高粘度電漿的形成。在本應(yīng)用案例中，我們將考慮顆粒尺寸與形狀對電漿粘度的影響。

電極組分

電極的典型結(jié)構(gòu)見圖1。電極的制造流程涉及將懸浮于電漿中的顆粒物涂布到金屬箔上。

我們這里所討論的電漿由電極顆粒（陽極或陰極）組成，內(nèi)含細小的碳顆粒以幫助導(dǎo)電，使用粘合劑（包含溶劑與聚合物）將結(jié)構(gòu)整合在一起。電漿中的顆粒濃度甚高，占總重比例約為20-40%。因此，顆粒性質(zhì)對于終的電漿的物理性質(zhì)有著重要影響。

圖1 鋰離子電池的典型結(jié)構(gòu)

顆粒性質(zhì)與電漿粘度

電漿的粘度、可分散性、濃度以及可壓實性是確定應(yīng)用場景中電漿有效性的重要參數(shù)。高粘度的電漿將增加涂敷工藝的困難，差的分散性將導(dǎo)致較低的薄膜均勻性；電漿的濃度與可壓實性控制著薄膜密度。為了確保對離子傳輸速率的控制，以及電池的壽命（重充電循環(huán)時間），涂層厚度的均一性、層的密度均十分重要，而控制層厚則有助于制造更小的電池。

如圖2所示，大量的不規(guī)則形狀顆粒的存在將導(dǎo)致電漿的粘度較高。這是由于顆粒摩擦與互鎖的影響增大，也由于流體繞行顆粒需要消耗額外的能量。

圖2 不規(guī)則形狀的顆粒將經(jīng)歷更強烈的互鎖與摩擦，導(dǎo)致粘度更高

由于不規(guī)則顆粒的壓實能力較球形為低，顆粒尺寸也將影響壓實密度。因此，在粘度起始上升之前，所能加入的顆粒數(shù)量將更少。如圖3所示。此外，在相同的濃度、較低的粘度下，多分散樣品將比單分散樣品壓實得更有效。然而，較小的不規(guī)則顆粒的存在可能增大粘度，這是因為它們擁有較大的表面積，從而將突出顆粒-顆粒以及顆粒-液體之間的交互作用。因此，在電極材料樣品內(nèi)，能夠監(jiān)控與控制不規(guī)則形狀顆粒與細粒材料的比例，以減小粘度，變得十分重要。

案例研究

在本案例中，研究了兩種作為碳電極材料的碳材料：天然碳黑A，以及合成制造的碳黑B。兩種材料均使用相同的粘合劑（NMP+2.5% 重量比的PVDF）進行粘合，以形成22%重量比濃度的兩種電漿。

粘度測試

使用Kinexus旋轉(zhuǎn)流變儀，在0.1s-1至1000s-1的剪切速率范圍內(nèi)，進行了粘度測量。圖4顯示了將PVDF添加到NMP（N-甲基吡咯烷酮）中，相比單獨的NMP，可以將粘度提高兩個數(shù)量級（約200倍）。NMP的粘度在很大范圍內(nèi)均與剪切速率無關(guān)，即體現(xiàn)為牛頓行為。

進一步添加炭黑，將增大粘度，由此得到的電漿將同時顯示剪切速率依賴性，即非牛頓行為。使用碳黑A得到的電漿在低速與高速剪切速率下均給出了比碳黑B高得多的粘度，這將可能提高在儲存狀態(tài)（對應(yīng)低剪切速率過程）下的抗沉降性能，并在涂布（高剪切速率）下得到較厚的電極薄膜。較高的粘度也可能使得涂布工藝變得更難控制，可能導(dǎo)致不均勻的涂層，與可變的層密度，這將反過來導(dǎo)致不穩(wěn)定的離子傳輸速率，由此縮短電池循環(huán)壽命，以及充電循環(huán)時間。

粒徑與形狀測量

為了測定粘度差異性的原因，使用馬爾文全自動靜態(tài)成像系統(tǒng)Morphologi測量了兩種碳黑粉末樣品。樣品使用1bar的低分散能量進行了分散，使用10x物鏡自動測量了超過70000個顆粒。

圖6 合成碳黑（綠線）比天然碳黑（紅線）更圓，但長徑比差別不大

這可由圖7的顆粒物圖像中得到確認。

圖7 觀察到的顆粒形狀的差異性 - 天然碳黑A的圓度要遠比合成碳黑B為低

測試結(jié)論