引言

電池在現(xiàn)代生活中十分常見,，我們對其依賴性從未像現(xiàn)在這么大,。因此,，通過生產(chǎn)控制以優(yōu)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(guī)則形狀的顆粒不僅降低了包裝密度,，也可能導(dǎo)致高粘度電漿的形成。在本應(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)含細(xì)小的碳顆粒以幫助導(dǎo)電，使用粘合劑（包含溶劑與聚合物）將結(jié)構(gòu)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(zhì)對于終的電漿的物理性質(zhì)有著重要影響,。

圖1 鋰離子電池的典型結(jié)構(gòu)

顆粒性質(zhì)與電漿粘度

電漿的粘度、可分散性,、濃度以及可壓實(shí)性是確定應(yīng)用場景中電漿有效性的重要參數(shù),。高粘度的電漿將增加涂敷工藝的困難，差的分散性將導(dǎo)致較低的薄膜均勻性,；電漿的濃度與可壓實(shí)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(huán)時(shí)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(guī)則形狀顆粒的存在將導(dǎo)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(guī)則形狀的顆粒將經(jīng)歷更強(qiáng)烈的互鎖與摩擦,，導(dǎo)致粘度更高

由于不規(guī)則顆粒的壓實(shí)能力較球形為低，顆粒尺寸也將影響壓實(shí)密度,。因此,，在粘度起始上升之前，所能加入的顆粒數(shù)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(shí)得更有效。然而,，較小的不規(guī)則顆粒的存在可能增大粘度,，這是因?yàn)樗鼈儞碛休^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(nèi)，能夠監(jiān)控與控制不規(guī)則形狀顆粒與細(xì)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(jìn)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(zhuǎn)流變儀，在0.1s-1至1000s-1的剪切速率范圍內(nèi),，進(jìn)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(dú)的NMP,，可以將粘度提高兩個(gè)數(shù)量級（約200倍）,。NMP的粘度在很大范圍內(nèi)均與剪切速率無關(guān)，即體現(xiàn)為牛頓行為,。

進(jìn)一步添加炭黑,，將增大粘度,，由此得到的電漿將同時(shí)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(tài)（對應(yīng)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(dǎo)致不均勻的涂層，與可變的層密度,，這將反過來導(dǎo)致不穩(wěn)定的離子傳輸速率,，由此縮短電池循環(huán)壽命，以及充電循環(huán)時(shí)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(dòng)靜態(tài)成像系統(tǒng)Morphologi測量了兩種碳黑粉末樣品。樣品使用1bar的低分散能量進(jìn)行了分散,，使用10x物鏡自動(dòng)測量了超過70000個(gè)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(rèn),。

圖7 觀察到的顆粒形狀的差異性 - 天然碳黑A的圓度要遠(yuǎn)比合成碳黑B為低

測試結(jié)論