浆料制备是锂电池生产的第一道工艺, 混料工艺在锂离子电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于30%, 是整个生产工艺中最重要的环节. 可是, 究竟该如何评价浆料的好坏呢? 就评估浆料品质的检测项目, 简单介绍并分享给大家, 其中有很多检测方法也没有接触过, 不对之处请批评指正.
(1) 固含量
固含量是指浆料各组分中, 活物质, 导电剂, 粘结剂等固体物质在浆料整体质量中的占比, 其中所指固体也包括溶解在溶剂中的粘结剂等添加物.
简单测量方法: 取少许浆料, 质量W, 在容器内涂抹成薄膜, 一定温度下烘干溶剂, 再称量质量w, 则固含量N=w/W.
另外, 可采用快速水分计测量, 如AND的水分计, 设备内自带称量系统和干燥系统, 加样之后, 自动称量样品, 自动干燥去除溶剂, 然后自动计算固含量或水分量.
快速测量水分计
在锂电池浆料制备时, 固含量一般不会特别控制, 经常根据涂布需求, 搅拌最后阶段通过调节溶剂加入量调整浆料粘度. 测量固含量可以与投料理论固含量比较, 评价投料称量精度; 从搅拌锅内不同位置取样测量固含量可以表征浆料的均匀性; 随着时间推移取样测量固含量可以表征浆料沉降稳定性.
(2) 密度
密度是指某一特定压力和温度下单位体积内物质的重量, 电池浆料的密度在很大程度上取决于所用活物质的密度, 并与添加剂和溶剂的密度, 以及配方中各组分的体积浓度有关, 一般可以采用比重杯测量.
密度杯
(3) 粘度/流变曲线
粘度是流体内部阻碍其流动的程度大小, 其定义公式为: 粘度=剪切应力/剪切速率.
而剪切应力τ是流体在剪切流动中单位面积切线上受到的力, 如图所示, 其定义式为:
其中, F为剪切力, A为剪切力作用面积.
流体剪切应力示意图
剪切速率是流体层间运动速度梯度, 是流体运动快慢的表征, 在剪切力作用下, 流体沿x轴方向流动, 流层间的速度分布如图3所示, 则剪切速率γ为:
流体层间速度分布
最常见的是牛顿流体 (如水, 大部分有机溶剂等) , 其特点是: 剪切应力与剪切速率的关系呈直线正相关, 在给定温度下流体粘度与剪切速率无关. 非牛顿流体的粘度受剪切速率的影响. 假塑性 (塑性) 流体: 粘度随剪切速率的增加而降低 (称为剪切变稀) ; 膨胀性流体: 粘度随剪切速率的增加而升高 (称为剪切变稠) .
锂电池浆料是剪切变稀的非牛顿流体, 粘度随剪切速率的增加而降低, 因此, 一般所说浆料的粘度都应该限定剪切速率条件. 实际影响涂布效果的粘度是在涂布工艺实际的剪切速率下的粘度值, 一般涂布时剪切速率为1000~10000 s-1.
流变曲线指的是材料粘度值与剪切速率或者剪切应力的函数关系图, 浆料粘度或流变曲线一般采用粘度计, 流变仪测量, 粘度计设备简单, 测量简便, 而采用旋转流变仪进行测试时, 因为其能够覆盖更大范围内的剪切速率和应力, 能够获得更全面的流动曲线, 测量结果也更加准确.
流变仪
(4) 细度 (粒度)
锂离子电池浆料是由电活性物质, 导电剂等固体颗粒分散在粘结剂溶液形成的, 涂布时活物质和导电剂及其他固态成分应该以微小的颗粒均匀分散在溶剂中, 在形成的涂膜中不能有颗粒状物体显现出来. 工业中常用细度这一指标来检测浆料中颗粒材料的分散程度. 细度是电池浆料的重要性能指标, 它对形成的涂膜表面质量, 均匀性及浆料的储存稳定性都有很大影响. 颗粒细, 分散程度好的浆料, 其固体颗粒能很好地被润湿, 所制备涂层均匀, 表面平整, 不会出现竖直划痕, 而且在储存过程中颗粒不易发生沉淀, 结块等现象, 储存稳定性好. 而如果浆料中存在大团聚体颗粒, 一方面表明导电剂等添加物分布不均匀, 所制备的涂层均匀性不好, 必然电池一致性差. 另外, 在涂布过程中, 大颗粒聚集在涂布刀辊狭缝或者挤压涂布模头出料狭缝, 所制备涂层会出现竖条道缺陷.
目前基本都采用刮板细度计测细度. 刮板细度计是一块带有从零到若干微米深的楔形沟槽的磨光平板, 槽边有刻度线标明该处槽沟的深度. 测量时将试样滴人沟槽的最深部位,然后用一个两刃均磨光的刮刀垂直接触平板,以适宜的速度把漆拉过槽的整个长度,然后沿入射光30°角的方向观察沟槽中颗粒均匀显露的深度,以此厚度表示试样的细度.
刮板细度计
(5) 膜阻抗
根据四探针膜阻抗测试原理, 在锂离子电池领域, 常常采用此方法测试浆料膜阻抗, 通过电阻率定量分析浆料中导电剂的分布状态, 从而判断浆料分散效果的好坏. 其测试过程为: 用涂膜器将浆料均匀涂覆在绝缘膜上, 然后将其加热干燥, 干燥之后测量涂层的厚度, 裁切样品, 尺寸满足无穷大要求 (大于四倍探针间距) , 最后采用四探针测量电极膜阻抗, 根据厚度计算电阻率.
四探针膜阻测试方法避免了探针与样品的接触电阻, 而且测试电流方向平行与涂层也避免了基底分流. 因此, 该方法能够准确测量电池极片涂层的绝对电阻值. 但是该方法只能表征涂层表面薄层的电阻, 对于较厚且存在成分梯度的电池涂层无法全面表征极片电阻值, 另外, 它也不能测试真实极片中涂层与基材之间的接触电阻.
膜阻抗测试仪
(6) 形貌和分布状态: SEM/EDS/冷冻电镜
扫描电镜可以直接观察浆料形貌, 配合能谱分析各组分的分散程度, 但是样品制备过程中, 浆料干燥时可能本身会发生成分再分布, 而冷冻电镜能够保持浆料原始的分布状态, 近来也开始应用于浆料性质分析. 如Sanghyuk Lim等人采用冷冻电镜法研究了粘结剂对锂离子电池负极浆料流变特性和微观结构的影响.
冷冻电镜研究锂离子电池负极浆料的微观结构
(7) 表面张力/接触角
旋转滴界面张力仪主要用于测量液-液之间的界面能, 旋转滴界面张力仪主要由摄像头, 光源, 测量窗口和毛细管(样品管)组成(如图所示) , 样品管在马达的带动下可以在不同的速度下旋转. 测量时, 样品管中装满高密度相, 然后再在高密度相中注入一滴低密度相(液滴), 样品管在马达的带动下转动, 在离心力作用下液滴在样品管的中心轴线上, 并且被拉伸变形, 在液滴的变化过程中, 软件控制系统一直追踪液滴的形状并拟合出其轮廓, 同时, 自动算出界面张力值.
界面张力测试原理图
例如Boris Bitsch等人研究了正辛醇作为添加剂对锂电池浆料性质的影响, 并测定了相关的界面张力和接触角 (见示意图) . 他们测定, CMC溶液的表面张力为72.4 mN/m, 与水接近, 而正辛醇表面张力为27.3 mN/m, 两者之间的界面张力为 10.6 mN/m. CMC溶液在空气中与石墨的接触角为74°, 而正辛醇与石墨接触角为0°, 石墨, CMC溶液和正辛醇三相接触角为46°. 因此, 添加不同量的辛醇对电池浆料具有明显的影响, 如图所示.
活物质颗粒与粘结剂溶液润湿示意图
辛醇添加量对浆料性质的影响
(8) ZETA电位
ZETA电位 (Zeta potential) 是指剪切面(Shear Plane)的电位, 又叫电动电位或电动电势 (ζ-电位或ζ-电势) , 是表征胶体分散系稳定性的重要指标, 对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量.
分子或分散粒子越小, Zeta电位的绝对值 (正或负) 越高, 体系越稳定, 即溶解或分散可以抵抗聚集. 反之, Zeta电位 (正或负) 越低, 越倾向于凝结或凝聚, 即吸引力超过了排斥力, 分散被破坏而发生凝结或凝聚.
