新品应用 | 利用阻抗-流变分析粘接剂对负极浆料均匀性和稳定性的影响

实验

所分析样品为含有2%(wt)的不同取代度DS NaCMC负极浆料，DS分别为0.34、0.75、1.23，同时分别制备含SBR与不含SBR的样品(其中样品编号的上标表示是否含有SBR，下标表示取代度DS)。相关浆料信息如以表1：

TA仪器流变-阻抗谱的测试程序为：

分析结果

1. 负极浆料阻抗-流变分析

图2-1为通过阻抗-流变分析不同取代度DS(DS=0.34、0.75、1.23)的NaCMC对负极浆料阻抗-流变性能的影响。可见在无SBR体系中，浆料阻抗随NaCMC的DS升高显著下降：DS=0.34时阻抗为111Ω，DS=0.75时降至70.5Ω，DS=1.23时为53.3Ω。这可能是由于低DS的NaCMC对石墨表面的吸附能力更强，但对导电碳的结合能力较低，从而影响了导电网络结构，导致浆料电阻升高；而高DS NaCMC因链间静电排斥力更强，可减少颗粒桥接与有助于网络形成，且聚合物链分布更均匀，从而增加导电碳的分散，降低浆料阻抗。

同时可观测到无论NaCMC的DS如何，添加SBR均能降低浆料阻抗，但效果存在不同：当DS=0.34时，浆料降阻效果显著(阻抗从111Ω降至83.4Ω)，但对DS=0.75、1.23的浆料影响较小。推断可能是SBR中含有的表面活性剂会吸附在导电碳表面，降低导电碳颗粒表面自由能，减少导电碳团聚并形成更稳定的导电网络。对低DS的NaCMC而言，由于对石墨表面的吸附能力更强，导电碳的结合力低，所以SBR的影响尤其明显。但是在高DS体系中，因为NaCMC已实现较好分散，SBR的作用被弱化。

图2-1：不同DS的NaCMC浆料在

有和无丁苯橡胶(SBR)时的

流变-阻抗测量结果(剪切速率=10s⁻¹)

除此以外，如图2-2，通过对浆料在不同剪切速率下进行阻抗-流变测试，观察到在不同剪切速率下，浆料阻抗均无太大变化，这表明浆料的电学特性基本不受剪切应变的影响。这种测量稳定性说明，剪切引起的微观结构重排并不影响离子或电子的传输网络，也即所有浆料均充分混合均匀，且具备稳定性。

图2-2：不同剪切速率下阻抗-流变测试数据

空心点为不含SBR的浆料样品，实心点为含SBR的浆料。

(A)CMC 0.34 无SBR，(B)CMC 0.34 SBR

(C)CMC 0.75 无SBR，(D)CMC 0.75 SBR

(E)CMC 1.23 无SBR，(F)CMC 1.23 SBR

2. 浆料3iTT触变性测试的阻抗-流变测试

图3-1显示，DS=0.75、1.23的浆料在3iTT触变性测试中表现出良好的可恢复性，也即是在1000s^-1高剪切后可恢复网络结构；而DS=0.34的浆料(尤其含SBR时)不可恢复，原因是低DS NaCMC有较强的分子间作用力，高剪切破坏后很难重新恢复。

同时，通过图3-2可见，所有浆料在高剪切前后阻抗无显著变化，表明高剪切后引发的网络结构重排未改变离子及电子网络结构，也即说明以上浆料已混合充分，剪切刺激后无额外导电碳团聚，进一步验证了TA仪器流变-阻抗谱解决方案对浆料质量测试的可靠性。

图3-2：3iTT触变性测试同步得到的EIS测量结果；

空心点为不含SBR浆料，实心为含SBR的浆料。

(A)CMC 0.34 无SBR，(B)CMC 0.34 SBR

(C)CMC 0.75 无SBR，(D)CMC 0.75 SBR

(E)CMC 1.23 无SBR，(F)CMC 1.23 SBR

3. 极片电化学性能验证

含SBR的配方中，DS=0.75的极片表现最优，其次是DS=1.23、0.34。重要原因是DS=0.75在低电阻与保水性间的微妙平衡。而DS=1.23虽电阻低，但保水性过高，DS=0.34则因电阻高导致电子传输效率低。

另外在极片长期循环性能测试中也能验证，DS=0.34、0.75的负极极片循环稳定性相近，而DS=1.23的负极因保水性过高导致提前失效。

结论

TA仪器2024年新上市的流变-阻抗谱(Rheo-IS)解决方案，通过旋转流变和阻抗的联用，可帮助用户在获取锂电浆料流变曲线、黏弹性物理性能的同时，得到对应剪切速率下的阻抗信息，揭示不同配方/工艺的浆料网络结构稳定性、可恢复性和活性物质分散均匀性。

创新的流变-阻抗谱(Rheo-IS)解决方案采用无摩擦设计，不损耗扭矩，可同时准确测量流变性能和阻抗信息。通过先进的帕尔帖设计，实现精确的温度控制和5分钟以内的快速更换安装， 显著提升了Discovery HR流变仪的多功能性和易用性。

本文由TA仪器的王伟华撰写。