电极颗粒大小和形状对电池浆液粘度的影响

简介

电池在现代生活中无处不在，我们对它们的依赖从未如此之大。因此，通过制造控制来确保最佳的电池性能变得越来越重要。在之前的应用笔记中，我们讨论了控制用于制造电池材料[1]的颗粒尺寸的重要性，以及石墨电极中碳微观结构对电池性能[2]的影响。

形状也是需要考虑和控制的重要因素，因为不规则形状的颗粒不仅会降低填料密度，而且会导致高粘度电极浆料的形成。在与NETZSCH分析与测试的合作伙伴合作撰写的第三份电池应用说明中，我们考虑了尺寸和形状对电极浆液粘度的作用。

电极组成

电池电极的典型结构如图1所示。电极通常是通过将悬浮颗粒浆涂在金属箔上来制造的。

图1 -锂离子电池的典型结构。

所讨论的浆料由电极颗粒(阳极或阴极)、小碳颗粒(以辅助导电)和粘合剂材料(由溶剂和聚合物组成)组成，以保持结构在一起。浆料中颗粒的浓度很高，占总重量的20- 40%。因此，颗粒性质对所得浆料的物理性质有重大影响。

颗粒性质和浆料粘度

浆液的粘度、分散性、浓度和压实性是决定浆液在应用过程中效果的重要参数。浆料粘度高导致涂膜工艺困难，分散性差导致涂膜均匀性差;浆料的浓度和压实性控制着膜的密度。涂层厚度和层密度的均匀性对于确保控制电池的离子转移速率和寿命(充电循环时间)非常重要，同时控制层厚度可以生产更小的电池。

如图2所示，由于颗粒摩擦和互锁的影响增加，同时由于流体绕过颗粒所需的额外流动能量，大量不规则形状颗粒的存在将导致更高粘度的浆液。

图2 -不规则形状的颗粒经历更大的连锁和摩擦，导致更高的粘度。

颗粒形状也影响填充密度，因为不规则颗粒的填充效率低于球体。因此，在粘度开始增加之前，可以向液体中添加更少的颗粒，如图3所示。此外，在相同浓度下，多分散样品将比单分散样品更有效地包装，这将降低粘度。然而，较小的不规则颗粒由于其较高的表面积可能会增加粘度，这将加剧颗粒-颗粒和颗粒-液体的相互作用。因此，能够监测和控制电极材料样品中不规则形状的颗粒和细材料的比例以使粘度最小化是很重要的。

图3 -颗粒形状对粘度的影响。

案例研究

在这项研究中，研究了两种类型的碳材料作为碳电极材料:来自天然来源的碳a和合成的碳b。这两种材料与相同的粘结剂(NMP中重量为2.5%的PVDF)结合，形成重量为22%的两种泥浆。

粘度测量

粘度测量使用NETZSCH Kinexus旋转流变仪，剪切速率范围从0.1到1000秒^－1．图4显示，与NMP单独相比，加入PVDF使粘度增加了一个数量级(约20倍)，粘度在很大程度上与剪切速率无关(牛顿行为)。

图4 -含有碳A(天然产生的)的泥浆比碳B(合成产生的)的粘度高得多。

炭黑的加入进一步提高了浆料的黏度，浆料均表现出剪切速率依赖性(非牛顿行为)。在低剪切速率和高剪切速率下，用碳A制成的浆料粘度比碳B高得多，这可能会增加静置时的沉淀阻力(低剪切过程)，并导致涂层上的电极膜更厚(高剪切过程)。较高的粘度也可能使涂层过程更难控制，可能导致涂层不均匀和可变的层密度，这反过来又导致可变的离子转移速率，从而导致电池寿命(和充电循环时间)。

颗粒大小和形状测量

为了确定粘度差异的原因，两种碳粉样品都使用马尔文解析形态学进行了分析。样品使用1巴的低能量色散进行分散，使用10倍物镜自动测量超过70000个粒子。

如图5所示，从天然来源获得的碳材料比合成生成的碳样品含有更多的细物质。

图5 -天然碳(红色)和合成碳(绿色)的大小分布。

此外，我们发现，虽然两种碳样品的纵横比差异不大，但通过循环度的比较发现，合成碳材料B碳的循环度高于天然碳材料a碳，如图6所示。图7所示的粒子图像证实了这一点。

图6 -合成碳(绿色)比天然碳材料(红色)更圆，但纵横比差异不大。

图7 -颗粒图像说明了观察到的颗粒形状的差异-自然产生的碳A的圆度比合成产生的碳B低得多。

结论

两种碳基电极材料在制成浆液时表现出相当不同的粘度，导致在电池制造过程中的不同应用行为。利用马尔文泛解析形态学，我们已经能够证明自然来源的碳含有更高比例的细物质和不规则颗粒。因此，当分散到浆液中时，自然来源的碳将产生更高的粘度和更低的填料分数。高粘度浆料降低涂层控制在应用到电极箔，这可能导致涂层不均匀的变化密度。这会影响电池性能，因为离子转移速率的后续变化会导致不可预测的电池寿命。因此，使用Malvern Panalytical Morphologi自动图像分析仪和NETZSCH Kinexus旋转流变仪，可以监测浆液颗粒特性和浆液粘度，以确保这些因素得到控制。

参考文献

[1]申请说明，“用激光衍射粒度分析表征电池材料”。

[2]申请说明，“探索碳微结构对锂离子电池性能的影响”。