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01丨背景介紹

電池在現(xiàn)代生活中無處不在，我們對(duì)它們的依賴程度也達(dá)到了前所未有的高度。因此，通過制造控制確保最佳電池性能越來越重要。

生產(chǎn)電池材料時(shí)控制顆粒尺寸很重要，石墨電極中碳微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響形狀也是需要考慮和控制的重要因素，因?yàn)椴灰?guī)則形狀的顆粒不僅會(huì)降低堆積密度，而且會(huì)導(dǎo)致形成高粘度的電極漿料。

02丨電極組成

圖1給出了電池電極的典型結(jié)構(gòu)，通常將懸浮顆粒漿料涂覆在金屬箔上制成電極。漿料由電極顆粒（陽極或陰極）、輔助導(dǎo)電的碳顆粒和粘合劑材料（溶劑和聚合物）組成。漿液中的顆粒濃度很高，占總重量的20-40%。因此，顆粒特性對(duì)所得漿料的物理特性有重大影響。

圖1.鋰離子電池典型結(jié)構(gòu)

03丨顆粒特性和漿料粘度

漿料的粘度、分散性、濃度和壓實(shí)性是漿料能否有效應(yīng)用的重要參數(shù)。高粘度漿料會(huì)導(dǎo)致涂覆過程困難，且分散性不好會(huì)導(dǎo)致膜均勻性差；漿料的濃度和壓實(shí)性控制膜的密度。涂層厚度的均勻性和層密度對(duì)于控制電池的離子傳輸速率和壽命（再充電周期時(shí)間）至關(guān)重要，而控制層厚度則可以生產(chǎn)更小的電池。

如圖2所示，由于粒子摩擦和相互連接的影響增加，流體繞過粒子所需的額外流動(dòng)能量，大量不規(guī)則形狀粒子的存在會(huì)導(dǎo)致漿料粘度增加。

圖2.不規(guī)則形狀顆粒的連接和摩擦導(dǎo)致高粘度

粒子形狀還會(huì)影響堆積密度，因?yàn)椴灰?guī)則粒子的堆積效率低于球形粒子。因此，如圖3所示，在粘度開始增加之前，可以向液體中添加的粒子數(shù)量會(huì)減少。此外，在相同濃度下，多分散樣品比單分散樣品堆積得更有效，這將降低粘度。然而，較小的不規(guī)則粒子可能由于表面積較大而增加粘度，這會(huì)加劇粒子間以及粒子與液體之間的相互作用。因此，重要的是能夠監(jiān)測和控制電極材料樣品中不規(guī)則形狀粒子和細(xì)粒的比例，以最小化粘度。

圖3.顆粒形狀對(duì)粘度的影響

04丨應(yīng)用案例

本案例研究了兩種類型的碳材料作為碳電極材料的情況：一種天然的碳A，另一種是人工合成的碳B。這兩種材料都與相同的粘合劑（NMP中質(zhì)量為2.5%的PVDF）結(jié)合，形成濃度為22%（質(zhì)量百分比）的兩種漿料。

圖4顯示，PVDF加入到NMP中，相對(duì)于NMP本身，粘度增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)(約20倍)，粘度在很大程度上不受剪切速率的影響（牛頓行為）。

圖4.含有碳A（自然產(chǎn)生）的漿料粘度比碳B（合成生產(chǎn)）高得多

炭黑的加入進(jìn)一步增加了粘度，得到的漿料均表現(xiàn)出剪切速率依賴性（非牛頓行為）。在低剪切速率和高剪切速率下，碳A制成的漿料的粘度比碳B高得多，這可能會(huì)增加靜沉降的阻力（低剪切過程），并導(dǎo)致涂層上的電極膜更厚（高剪切過程）。更高的粘度也可能使涂層過程更難控制，潛在地導(dǎo)致不均勻的涂層和可變的層密度，這反過來導(dǎo)致可變的離子轉(zhuǎn)移速率和電池壽命（和充電周期時(shí)間）。

圖5.天然碳(紅色)和合成碳(綠色)的尺寸分布

此外，我們發(fā)現(xiàn)，雖然兩種樣品的長寬比相差不大，但通過比較圓度，可以發(fā)現(xiàn)合成碳材料碳B的圓度比天然來源的碳A的圓度要高，如圖7所示，圖8所示的顆粒圖像證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖6.合成碳（綠色）比天然碳材料（紅色）更圓，長寬比差異不大

圖7.顆粒圖像顯示了顆粒形狀的差異

兩種碳基電極材料在制成漿料時(shí)表現(xiàn)出截然不同的粘度，導(dǎo)致在電池制造過程中具有不同的應(yīng)用行為。使用馬爾文帕納科粒徑粒形自動(dòng)分析儀，能證明天然來源的碳含有更高比例的小顆粒和不規(guī)則顆粒。因此，當(dāng)分散成漿料時(shí)，天然來源的碳會(huì)產(chǎn)生更高的粘度和更低的填充率。