通過(guò)潤(rùn)濕性測(cè)量提高鋰離子電池的性能和安全性

鋰離子電池是智能手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備的主要儲(chǔ)能技術(shù)。最近對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的需求增加，引發(fā)了關(guān)于鋰離子電池技術(shù)是否足以滿(mǎn)足大眾市場(chǎng)全面電氣化的討論。

潤(rùn)濕性已被公認(rèn)是影響鋰離子電池性能和制造成本的關(guān)鍵因素之一。材料的潤(rùn)濕性通常用光學(xué)或力學(xué)張力儀來(lái)研究。這兩種方法都被用于研究鋰離子電池材料的潤(rùn)濕性。

鋰離子電池有幾個(gè)潤(rùn)濕性起作用的界面

在鋰離子電池中有多個(gè)液體和固體接觸的界面，所有這些界面都對(duì)電池的性能起著重要作用。

鋰離子電池由多孔的正極和負(fù)極組成，正極和負(fù)極中充滿(mǎn)了電解質(zhì)溶液，并由隔膜分隔開(kāi)。負(fù)極一側(cè)包括一個(gè)電流集流器，它是銅和電極漿料，電極漿料是活性物質(zhì)(石墨)、溶劑、粘合劑和添加劑的復(fù)雜混合物。其中有多個(gè)固液界面。在電極漿料中，石墨顆粒與液相接觸。在電流集流器(銅)上涂覆上述漿料，形成銅與上述漿料之間的界面。正極一側(cè)在漿料中含有典型的鋰金屬氧化物顆粒，漿料與充當(dāng)電流收集器的鋁接觸。隔膜是陽(yáng)極和陰極之間的物理屏障。所有組件，陽(yáng)極，陰極和隔膜都與電解液接觸，電解液通常是有機(jī)溶劑中的鋰鹽。

陰極和陽(yáng)極決定電池的性能，而電解液和隔膜負(fù)責(zé)電池的安全。

材料之間良好的潤(rùn)濕性是鋰離子電池工作的要求。

用于研究鋰離子電池材料的張力儀測(cè)量

為了研究固體和液體之間的潤(rùn)濕性，通常使用光學(xué)和力學(xué)張力儀。有了張力儀，就可以測(cè)量液體的表面張力，也可以研究固體和液體之間的相互作用。

用表面張力和Washburn方法測(cè)量?jī)?yōu)化電極漿料

電極漿料是由活性物質(zhì)、導(dǎo)電添加劑、聚合物粘結(jié)劑和溶劑組成的復(fù)雜混合物。漿料中活性物質(zhì)顆粒的潤(rùn)濕是至關(guān)重要的，因?yàn)闈?rùn)濕性差會(huì)導(dǎo)致顆粒分散不均勻。

漿料的表面張力影響電流集流器的潤(rùn)濕能力。過(guò)高的表面張力會(huì)導(dǎo)致漿液的擴(kuò)散不均勻以及膜厚增加。

案例研究：表面處理時(shí)間對(duì)碳粉潤(rùn)濕性的影響

為了研究表面處理時(shí)間對(duì)碳粉潤(rùn)濕性的影響，采用了力學(xué)張力儀中的Washburn方法。測(cè)量方法是將碳粉裝入底部有孔的容器中。底部放置濾紙用來(lái)防止粉末從容器中逸出。容器掛在一個(gè)靈敏的天平上，然后放低到液體中，這樣容器的底部就浸入到液體中(見(jiàn)圖6)。吸收的質(zhì)量和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系由天平記錄下來(lái)。為了確定接觸角，首先對(duì)完全濕潤(rùn)的液體(如正庚烷)進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)感興趣的液體(在本例中為水)進(jìn)行測(cè)量[1]。

樣品：表面處理水平不同的碳粉。

方法：采用Washburn法測(cè)定不同表面處理次數(shù)后碳粉和水的接觸角

測(cè)量結(jié)果顯示(圖3)，碳粉和水接觸角相對(duì)表面處理時(shí)間的函數(shù)明顯減小。

電流集流器涂層

電極漿料涂在電流集流器上，集流器是銅(陽(yáng)極)或鋁(陰極)。漿料在集流器上的充分?jǐn)U散和粘附對(duì)鋰離子電池的性能優(yōu)化至關(guān)重要。漿料和集流器之間的接觸角可以用光學(xué)張力儀的座滴法或力學(xué)表面張力儀的Wilhelmy板法測(cè)量。

壓延

壓延是鋰離子電池電極常見(jiàn)的壓實(shí)工藝。壓延的目的是減少電極的孔隙率，并因此改善顆粒接觸，從而提高電池的能量密度。壓延將顯著影響孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響電極的潤(rùn)濕性[1]。壓延還會(huì)影響電極的表面紋理，這在評(píng)估電極的潤(rùn)濕性時(shí)需要考慮。壓延對(duì)電極潤(rùn)濕性的影響可以通過(guò)用力學(xué)表面張力儀測(cè)定潤(rùn)濕速率來(lái)研究[2]。測(cè)量基于Washburn方法[3]，將多孔樣品浸入液體中，并使用高靈敏度天平進(jìn)行記錄吸入的質(zhì)量，以時(shí)間作為函數(shù)。光學(xué)張力儀計(jì)為研究電極的潤(rùn)濕性提供了另一種工具。

案例研究：未壓縮和壓縮電極的接觸角測(cè)量

為了研究壓延工藝對(duì)潤(rùn)濕性的影響，利用Theta Flow光學(xué)張力儀測(cè)量了接觸角。

固體樣品：鍍?cè)阡X箔上的鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)(未壓縮和壓縮)

液體：碳酸二甲酯溶劑(DMC)

測(cè)量結(jié)果清楚地表明(圖4)，壓延增加了碳酸二甲酯溶劑和電極的接觸角。這表明，隨著壓延，電極的潤(rùn)濕性降低，這可能會(huì)導(dǎo)致隨后填充電解質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題。

隔膜潤(rùn)濕性

隔膜是電池的關(guān)鍵部件，放置在正極和負(fù)極之間。它可以物理阻礙兩個(gè)電極之間的接觸以防止電池短路，同時(shí)又允許鋰離子流動(dòng)。隔膜一直被認(rèn)為是電池的非活性部件，但其性能對(duì)電池的性能和安全至關(guān)重要。

隔膜是放在極性相反的電極之間的多孔膜。多年來(lái)，已經(jīng)使用了各種不同材料的隔膜，但現(xiàn)在的商業(yè)隔膜通常由聚烯烴制成，如聚乙烯或聚丙烯。

電解質(zhì)的潤(rùn)濕性是鋰離子電池隔膜的關(guān)鍵特性，因?yàn)殡娊赓|(zhì)的吸附對(duì)離子傳輸至關(guān)重要。聚合物隔膜材料本身是疏水性的，對(duì)傳統(tǒng)的有機(jī)電解質(zhì)的潤(rùn)濕性不足。人們考慮了不同的方法來(lái)提高隔膜材料的潤(rùn)濕性。這些包括不同類(lèi)型的涂層，例如靜電紡絲[1]或原子層沉積(ALD)[2]和復(fù)合隔膜的制造[3]。

案例研究：聚合物和陶瓷隔膜的潤(rùn)濕性

為了研究隔膜材料對(duì)潤(rùn)濕性的影響，用Theta Flow光學(xué)張力儀測(cè)量了接觸角。

固體樣品：聚合物和陶瓷隔膜

液體：碳酸二甲酯溶劑(DMC)

測(cè)試結(jié)果表明，陶瓷隔膜的潤(rùn)濕性略好于聚合物隔膜，表明陶瓷隔膜的性能更好。

加速電解液填充

電極材料與電解質(zhì)溶液的潤(rùn)濕性是開(kāi)發(fā)高性能鋰離子電池所面臨的挑戰(zhàn)之一。

從小型電池到電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)電池制造提出了重大挑戰(zhàn)。制造的關(guān)鍵步驟之一是通過(guò)精密的泵將電解質(zhì)溶液添加到多孔電極中。在此步驟中，電解液應(yīng)滲透并填充電極的孔隙中。

這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為潤(rùn)濕過(guò)程，由于電極的潤(rùn)濕性差，擴(kuò)散距離長(zhǎng)，并且由于氣體被困在孔隙中而阻礙擴(kuò)散，因此在高溫下可能需要數(shù)天時(shí)間。漫長(zhǎng)的加工過(guò)程會(huì)增加制造時(shí)間，同時(shí)也會(huì)增加制造成本。

電解質(zhì)吸入量可以用力學(xué)表面張力儀測(cè)量，類(lèi)似于電極漿料優(yōu)化的測(cè)量(圖6)。在做電解質(zhì)吸入測(cè)量時(shí)，電極材料浸入到電解質(zhì)溶液中。電極材料剪切成矩形的電極片，可以很容易地掛到天平掛鉤上。將電解液放入樣品容器中，使電極與之接觸。測(cè)量吸入的質(zhì)量，以時(shí)間作為函數(shù)。

結(jié)論

潤(rùn)濕性測(cè)量是確保鋰離子電池性能優(yōu)化、制造和安全的關(guān)鍵。Biolin光學(xué)和力學(xué)張力儀為鋰離子電池的研究和開(kāi)發(fā)提供了高效的測(cè)量工具。

關(guān)鍵的是張力儀可以提供電極漿料的表面張力，以?xún)?yōu)化涂層和干燥過(guò)程。使用光學(xué)或力學(xué)張力儀測(cè)量漿料的表面張力，較低的表面張力導(dǎo)致較好的表面潤(rùn)濕。

電極材料的潤(rùn)濕性，最大限度地提高電極與漿料之間的粘附性。使用光學(xué)張力儀測(cè)量電極材料與漿料之間的接觸角。較低的接觸角表明較好的潤(rùn)濕性，以及較好的附著力。

壓延對(duì)電極潤(rùn)濕性的影響，使用光學(xué)張力儀測(cè)量未壓縮和壓縮電極與電解質(zhì)的接觸角。

評(píng)估電解液的吸收以加速填充過(guò)程，使用力學(xué)張力儀監(jiān)測(cè)電解液吸入電極材料的情況。

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