强文推荐&有奖互动 | 通过流变学推进锂离子电池技术的发展（二）

——引言

全固态电池是一种新的电池体系，采用固态电极和固体电解质取代传统的液体或聚合物凝胶电极和电解质。范德比尔特大学机械工程、材料科学以及化学和生物分子工程系的研究人员研究了全固态电池 (ASSBs) 中复合电极的油墨配方。 

复合电极的量产依赖于集合电极固体材料、粘结料和溶剂的油墨的生产。油墨工程包括优化油墨的流变性、聚集行为和稳定性，以实现所需的涂层工艺，从而提高ASSB中复合电极的性能。由Shen、Dixit、Zaman、Hortance、Rogers和Hatzell组成的范德比尔特团队使用TA仪器的Discovery混合流变仪来评估溶剂和粘结料的不同组合。他们发现，松油醇溶剂和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粘合剂（电池行业不太常见的组合）可以提高固-固界面润湿性和粘附性，同时改善动态表面张力和流变性能，从而改善电极和容量性能。流变学测量帮助他们确定这种理想的组合。流变学对于设计油墨制造过程和确定可行的工艺条件至关重要。来自蒙特利尔大学化学系的研究人员 Khakani、Verdier、Lepage、Rochefort、Prébé、Aymé-Perrot和Dollé、Hutchinson和Total SA采用一种不同的方法，设计一种无溶剂工艺来简化复合锂离子电池电极的制造，这种工艺更具环境可持续性和成本效益。他们的干法工艺使用聚合物加工助剂 (PPA),避免了基于溶剂的湿电极加工的传统问题。他们的干涂层需要具有足够黏度的均一混合物来均匀地涂覆电极。TA仪器的Discover混合流变仪(DHR)帮助研究人员优化他们的混合物，并确定应用该混合物所需的剪切力范围。他们得到的混合物具有理想的黏弹性，并在全电池测试中被证明是成功的，为更环保和低成本的电池制造铺平了道路。

尽管大多数商用电池使用液态有机电解质，但这些有机溶剂易燃，并不适用于所有应用。目前有研究人为固体聚合物电解质(SPEs)是一种更安全的替代品，其可燃性降低，机械性能提高，有助于抑制枝晶的形成。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Brian Jing和Christopher Evans从具有动态共价交联的聚合物网络中开发了SPE，提高了电解质的安全性和性能，兼具可持续和可回收性。他们开发了聚环氧乙烷（PEO）网络，并研究了 LiTFSI 盐对其转变温度的影响。成功设计电池材料的其中一个关键点是了解材料在不同温度下的行为。这对基于PE的材料更为重要，因为其模量在加热过程中会大幅下降。Jing和Evans使用TA仪器的Discovery混合流变仪来确定他们基PEO的SPE 的模量随温度的变化。他们观察到，虽然材料在更高的温度下变得更软、更易流动，但所产生的材料的剪切模量却大于1MPa。这是一项重要成就，因为这些材料的高模量可能有助于在电池最终使用温度较高的情况下抑制枝晶形成，同时网络结构的化学属性保证了高导电性。使用硼酸酯形成动态共价交联也可以在 30 分钟内将电解质溶解在纯水中并回收原料单体。这些电解质在机械损伤后还表现出自修复性，同时保持95%以上的导电和机械性能，这进一步巩固了该行业为实现更好的电池可持续性而在可回收和可再加工材料方向发展所做出的努力。

正如这些研究实例所表明的，对锂离子电池的高需求正在全球范围内挑战制造业的极限，使得在材料开发阶段思考工艺优化变得更加重要。随着创新以惊人的速度发展，世界各地的实验室都在努力开发性能和安全性适当平衡的电池。这些例子说明了流变学是科学家设计和高效生产更安全、性能更好的电池的关键技术。他们研究背后的驱动因素–更快的生产过程、更高的安全性、卓越的终端使用性。我们不断改进电池生产和产品时，电池科学家可以自信地学习他人的突破，并采用他们的技术。

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