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使用Biolin張力儀評估鋰離子電池的潤濕性

2024-09-07

通過潤濕性測量提高鋰離子電池的性能和安全性

鋰離子電池是智能手機和筆記本電腦等移動設備的主要儲能技術。最近對插電式混合動力汽車和電動汽車的需求增加，引發了關于鋰離子電池技術是否足以滿足大眾市場全面電氣化的討論。

潤濕性已被公認是影響鋰離子電池性能和制造成本的關鍵因素之一。材料的潤濕性通常用光學或力學張力儀來研究。這兩種方法都被用于研究鋰離子電池材料的潤濕性。

鋰離子電池有幾個潤濕性起作用的界面

在鋰離子電池中有多個液體和固體接觸的界面，所有這些界面都對電池的性能起著重要作用。

鋰離子電池由多孔的正極和負極組成，正極和負極中充滿了電解質溶液，并由隔膜分隔開。負極一側包括一個電流集流器，它是銅和電極漿料，電極漿料是活性物質(石墨)、溶劑、粘合劑和添加劑的復雜混合物。其中有多個固液界面。在電極漿料中，石墨顆粒與液相接觸。在電流集流器(銅)上涂覆上述漿料，形成銅與上述漿料之間的界面。正極一側在漿料中含有典型的鋰金屬氧化物顆粒，漿料與充當電流收集器的鋁接觸。隔膜是陽極和陰極之間的物理屏障。所有組件，陽極，陰極和隔膜都與電解液接觸，電解液通常是有機溶劑中的鋰鹽。

陰極和陽極決定電池的性能，而電解液和隔膜負責電池的安全。

材料之間良好的潤濕性是鋰離子電池工作的要求。

用于研究鋰離子電池材料的張力儀測量

為了研究固體和液體之間的潤濕性，通常使用光學和力學張力儀。有了張力儀，就可以測量液體的表面張力，也可以研究固體和液體之間的相互作用。

用表面張力和Washburn方法測量優化電極漿料

電極漿料是由活性物質、導電添加劑、聚合物粘結劑和溶劑組成的復雜混合物。漿料中活性物質顆粒的潤濕是至關重要的，因為潤濕性差會導致顆粒分散不均勻。

漿料的表面張力影響電流集流器的潤濕能力。過高的表面張力會導致漿液的擴散不均勻以及膜厚增加。

案例研究：表面處理時間對碳粉潤濕性的影響

為了研究表面處理時間對碳粉潤濕性的影響，采用了力學張力儀中的Washburn方法。測量方法是將碳粉裝入底部有孔的容器中。底部放置濾紙用來防止粉末從容器中逸出。容器掛在一個靈敏的天平上，然后放低到液體中，這樣容器的底部就浸入到液體中(見圖6)。吸收的質量和時間的函數關系由天平記錄下來。為了確定接觸角，首先對完全濕潤的液體(如正庚烷)進行測量，然后對感興趣的液體(在本例中為水)進行測量[1]。

樣品：表面處理水平不同的碳粉。

方法：采用Washburn法測定不同表面處理次數后碳粉和水的接觸角

測量結果顯示(圖3)，碳粉和水接觸角相對表面處理時間的函數明顯減小。

電流集流器涂層

電極漿料涂在電流集流器上，集流器是銅(陽極)或鋁(陰極)。漿料在集流器上的充分擴散和粘附對鋰離子電池的性能優化至關重要。漿料和集流器之間的接觸角可以用光學張力儀的座滴法或力學表面張力儀的Wilhelmy板法測量。

壓延

壓延是鋰離子電池電極常見的壓實工藝。壓延的目的是減少電極的孔隙率，并因此改善顆粒接觸，從而提高電池的能量密度。壓延將顯著影響孔隙結構，從而影響電極的潤濕性[1]。壓延還會影響電極的表面紋理，這在評估電極的潤濕性時需要考慮。壓延對電極潤濕性的影響可以通過用力學表面張力儀測定潤濕速率來研究[2]。測量基于Washburn方法[3]，將多孔樣品浸入液體中，并使用高靈敏度天平進行記錄吸入的質量，以時間作為函數。光學張力儀計為研究電極的潤濕性提供了另一種工具。

案例研究：未壓縮和壓縮電極的接觸角測量

為了研究壓延工藝對潤濕性的影響，利用Theta Flow光學張力儀測量了接觸角。

固體樣品：鍍在鋁箔上的鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)(未壓縮和壓縮)

液體：碳酸二甲酯溶劑(DMC)

測量結果清楚地表明(圖4)，壓延增加了碳酸二甲酯溶劑和電極的接觸角。這表明，隨著壓延，電極的潤濕性降低，這可能會導致隨后填充電解質出現問題。

隔膜潤濕性

隔膜是電池的關鍵部件，放置在正極和負極之間。它可以物理阻礙兩個電極之間的接觸以防止電池短路，同時又允許鋰離子流動。隔膜一直被認為是電池的非活性部件，但其性能對電池的性能和安全至關重要。

隔膜是放在極性相反的電極之間的多孔膜。多年來，已經使用了各種不同材料的隔膜，但現在的商業隔膜通常由聚烯烴制成，如聚乙烯或聚丙烯。

電解質的潤濕性是鋰離子電池隔膜的關鍵特性，因為電解質的吸附對離子傳輸至關重要。聚合物隔膜材料本身是疏水性的，對傳統的有機電解質的潤濕性不足。人們考慮了不同的方法來提高隔膜材料的潤濕性。這些包括不同類型的涂層，例如靜電紡絲[1]或原子層沉積(ALD)[2]和復合隔膜的制造[3]。

案例研究：聚合物和陶瓷隔膜的潤濕性

為了研究隔膜材料對潤濕性的影響，用Theta Flow光學張力儀測量了接觸角。

固體樣品：聚合物和陶瓷隔膜

液體：碳酸二甲酯溶劑(DMC)

測試結果表明，陶瓷隔膜的潤濕性略好于聚合物隔膜，表明陶瓷隔膜的性能更好。

加速電解液填充

電極材料與電解質溶液的潤濕性是開發高性能鋰離子電池所面臨的挑戰之一。

從小型電池到電動汽車的大規模應用，對電池制造提出了重大挑戰。制造的關鍵步驟之一是通過精密的泵將電解質溶液添加到多孔電極中。在此步驟中，電解液應滲透并填充電極的孔隙中。

這個過程被稱為潤濕過程，由于電極的潤濕性差，擴散距離長，并且由于氣體被困在孔隙中而阻礙擴散，因此在高溫下可能需要數天時間。漫長的加工過程會增加制造時間，同時也會增加制造成本。

電解質吸入量可以用力學表面張力儀測量，類似于電極漿料優化的測量(圖6)。在做電解質吸入測量時，電極材料浸入到電解質溶液中。電極材料剪切成矩形的電極片，可以很容易地掛到天平掛鉤上。將電解液放入樣品容器中，使電極與之接觸。測量吸入的質量，以時間作為函數。

結論

潤濕性測量是確保鋰離子電池性能優化、制造和安全的關鍵。Biolin光學和力學張力儀為鋰離子電池的研究和開發提供了高效的測量工具。

關鍵的是張力儀可以提供電極漿料的表面張力，以優化涂層和干燥過程。使用光學或力學張力儀測量漿料的表面張力，較低的表面張力導致較好的表面潤濕。

電極材料的潤濕性，最大限度地提高電極與漿料之間的粘附性。使用光學張力儀測量電極材料與漿料之間的接觸角。較低的接觸角表明較好的潤濕性，以及較好的附著力。

壓延對電極潤濕性的影響，使用光學張力儀測量未壓縮和壓縮電極與電解質的接觸角。

評估電解液的吸收以加速填充過程，使用力學張力儀監測電解液吸入電極材料的情況。

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