電極顆粒尺寸與形狀對電漿粘度的影響

引言

電池在現代生活中十分常見，我們對其依賴性從未像現在這么大。因此，通過生產控制以優化電池性能，變得越來越重要。其中，顆粒形狀是需要考慮與控制的重要因素，這是由于不規則形狀的顆粒不僅降低了包裝密度，也可能導致高粘度電漿的形成。在本應用案例中，我們將考慮顆粒尺寸與形狀對電漿粘度的影響。

電極組分

電極的典型結構見圖1。電極的制造流程涉及將懸浮于電漿中的顆粒物涂布到金屬箔上。

我們這里所討論的電漿由電極顆粒（陽極或陰極）組成，內含細小的碳顆粒以幫助導電，使用粘合劑（包含溶劑與聚合物）將結構整合在一起。電漿中的顆粒濃度甚高，占總重比例約為20-40%。因此，顆粒性質對于終的電漿的物理性質有著重要影響。

圖1 鋰離子電池的典型結構

顆粒性質與電漿粘度

電漿的粘度、可分散性、濃度以及可壓實性是確定應用場景中電漿有效性的重要參數。高粘度的電漿將增加涂敷工藝的困難，差的分散性將導致較低的薄膜均勻性；電漿的濃度與可壓實性控制著薄膜密度。為了確保對離子傳輸速率的控制，以及電池的壽命（重充電循環時間），涂層厚度的均一性、層的密度均十分重要，而控制層厚則有助于制造更小的電池。

如圖2所示，大量的不規則形狀顆粒的存在將導致電漿的粘度較高。這是由于顆粒摩擦與互鎖的影響增大，也由于流體繞行顆粒需要消耗額外的能量。

圖2 不規則形狀的顆粒將經歷更強烈的互鎖與摩擦，導致粘度更高

由于不規則顆粒的壓實能力較球形為低，顆粒尺寸也將影響壓實密度。因此，在粘度起始上升之前，所能加入的顆粒數量將更少。如圖3所示。此外，在相同的濃度、較低的粘度下，多分散樣品將比單分散樣品壓實得更有效。然而，較小的不規則顆粒的存在可能增大粘度，這是因為它們擁有較大的表面積，從而將突出顆粒-顆粒以及顆粒-液體之間的交互作用。因此，在電極材料樣品內，能夠監控與控制不規則形狀顆粒與細粒材料的比例，以減小粘度，變得十分重要。

案例研究

在本案例中，研究了兩種作為碳電極材料的碳材料：天然碳黑A，以及合成制造的碳黑B。兩種材料均使用相同的粘合劑（NMP+2.5% 重量比的PVDF）進行粘合，以形成22%重量比濃度的兩種電漿。

粘度測試

使用Kinexus旋轉流變儀，在0.1s-1至1000s-1的剪切速率范圍內，進行了粘度測量。圖4顯示了將PVDF添加到NMP（N-甲基吡咯烷酮）中，相比單獨的NMP，可以將粘度提高兩個數量級（約200倍）。NMP的粘度在很大范圍內均與剪切速率無關，即體現為牛頓行為。

進一步添加炭黑，將增大粘度，由此得到的電漿將同時顯示剪切速率依賴性，即非牛頓行為。使用碳黑A得到的電漿在低速與高速剪切速率下均給出了比碳黑B高得多的粘度，這將可能提高在儲存狀態（對應低剪切速率過程）下的抗沉降性能，并在涂布（高剪切速率）下得到較厚的電極薄膜。較高的粘度也可能使得涂布工藝變得更難控制，可能導致不均勻的涂層，與可變的層密度，這將反過來導致不穩定的離子傳輸速率，由此縮短電池循環壽命，以及充電循環時間。

粒徑與形狀測量

為了測定粘度差異性的原因，使用馬爾文全自動靜態成像系統Morphologi測量了兩種碳黑粉末樣品。樣品使用1bar的低分散能量進行了分散，使用10x物鏡自動測量了超過70000個顆粒。

圖6 合成碳黑（綠線）比天然碳黑（紅線）更圓，但長徑比差別不大

這可由圖7的顆粒物圖像中得到確認。

圖7 觀察到的顆粒形狀的差異性 - 天然碳黑A的圓度要遠比合成碳黑B為低

測試結論