2023-12-01 18:23:48, 助力电池研发的 TA仪器
概要
锂电池电极加工的不同阶段,对加工浆料的流动性能有着不同的要求,因此,准确表征浆料的流动性能对电极加工工艺有着至关重要的指导意义,本文简述了锂电池电极加工用浆料的流动性能表征。
关键词:锂电池;电极;加工浆料;流动性能;流变
引言
锂电池电极制造过程的不同阶段对浆料的流动性能要求是不同的,比如在浆料制备的混合和涂布阶段,要求浆料的黏度足够低以达到最佳混合和涂布效果;而干燥过程中则要求浆料的黏度足够高以减少颗粒的沉降、迁移。
尽管看上去不同阶段对浆料的黏度要求不同,但这些要求实际上并不相互矛盾,原因是不同的加工阶段对应的剪切尺度存在明显差异,即不同加工阶段对应的剪切速率存在差异。比如,涂布过程是在较高速率下进行且涂层较薄,其对应的剪切速率较高;而干燥过程几乎不存在剪切作用,主要是颗粒对周围介质的沉降或迁移,实际对于很低的剪切速率。
电极加工浆料是一种由活性材料、导电粒子、粘接料和溶剂等组成的多相、多尺度复杂流体,其所受到的剪切速率会对其流动性能产生显著影响,因此,准确测量电极加工浆料的流动性能对浆料性能的综合评估以及对加工工艺的指导有着十分重要的现实意义。
加工剪切速率衡算示例
浆料涂布是电极加工过程中十分重要的一个环节,常见的两种涂布工艺如图1所示。
图1:电极加工浆料涂布工艺
图1所示的两种涂布工艺过程对应的剪切速率 (γ̇)分别为:
其中v为涂布速率,h为涂层厚度,Q为口模流量,b为口模宽度。
浆料流动性能测量
浆料的流动性能测量设置的剪切速率除要覆盖到涂布工艺对应的剪切速率外,低剪切要做到尽可能低以评估其干燥过程中的抗沉降、抗迁移性能。典型的测量结果如图2所示。
图2:电极加工浆料的流动性能
从图2可以看出,在低剪切率条件下,浆料的黏度很高,可防止储存和干燥过程中的沉降;随着剪切率的增加,浆料表现出典型的剪切变稀行为,黏度下降了近10倍,这对于确保浆料能够有效混合和顺利涂布。
除了上述浆料的综合性能评估外,浆料的流动性能——黏度还可用于评估浆料在干燥成膜阶段的行为,这种情况下,可以用低剪切的恒剪切时间扫描模拟干燥成膜过程。
流变学可提供每个生产阶段(包括储存、混合、涂布和干燥)关于电池浆料的关键信息。测量流变曲线有助于确保涂层均匀、无缺陷,使生产的电极具有一致性和高质量,且批次间重现性高、废品率低,从而降低电池生产的总体成本。
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[1] 美国专利号 7,137,290;7,017,393;6,798,099
[2] 美国专利号 10,161,843
[3] 美国专利号 6,798,099
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