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            大昌洋行(上海)有限公司(大昌華嘉科學(xué)儀器部)

            使用Biolin張力儀評估鋰離子電池的潤濕性

            時間:2024-9-7 閱讀:667
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            通過潤濕性測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設(shè)備的主要儲能技術(shù)。最近對插電式混合動力汽車和電動汽車的需求增加,引發(fā)了關(guān)于鋰離子電池技術(shù)是否足以滿足大眾市場全面電氣化的討論。

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

             

            鋰離子電池有幾個潤濕性起作用的界面


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            在鋰離子電池中有多個液體和固體接觸的界面,所有這些界面都對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)極中充滿了電解質(zhì)溶液,并由隔膜分隔開。負(fù)極一側(cè)包括一個電流集流器,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()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。隔膜是陽極和陰極之間的物理屏障。所有組件,陽極,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。

            材料之間良好的潤濕性是鋰離子電池工作的要求。

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            用于研究鋰離子電池材料的張力儀測量

             

            為了研究固體和液體之間的潤濕性,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方法測量優(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)顆粒的潤濕是至關(guān)重要的,因為潤濕性差會導(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濕能力。過高的表面張力會導(dǎo)致漿液的擴(kuò)散不均勻以及膜厚增加。

             

            案例研究:表面處理時間對碳粉潤濕性的影響

             

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


            樣品:表面處理水平不同的碳粉。

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

            測量結(jié)果顯示(3),碳粉和水接觸角相對表面處理時間的函數(shù)明顯減小。

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            電流集流器涂層

             

            電極漿料涂在電流集流器上,集流器是銅(陽極)或鋁(陰極)。漿料在集流器上的充分?jǐn)U散和粘附對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板法測量。

             

            壓延

             

            壓延是鋰離子電池電極常見的壓實工藝。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),從而影響電極的潤濕性[1]。壓延還會影響電極的表面紋理,這在評估電極的潤濕性時需要考慮。壓延對電極潤濕性的影響可以通過用力學(xué)表面張力儀測定潤濕速率來研究[2]。測量基于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,以時間作為函數(shù)。光學(xué)張力儀計為研究電極的潤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量

             

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


            固體樣品:鍍在鋁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)

            測量結(jié)果清楚地表明(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,電極的潤濕性降低,這可能會導(dǎo)致隨后填充電解質(zhì)出現(xiàn)問題。


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            隔膜潤濕性

             

            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電極之間的接觸以防止電池短路,同時又允許鋰離子流動。隔膜一直被認(rèn)為是電池的非活性部件,但其性能對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,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)的潤濕性是鋰離子電池隔膜的關(guān)鍵特性,因為電解質(zhì)的吸附對離子傳輸至關(guān)重要。聚合物隔膜材料本身是疏水性的,對傳統(tǒng)的有機(jī)電解質(zhì)的潤濕性不足。人們考慮了不同的方法來提高隔膜材料的潤濕性。這些包括不同類型的涂層,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濕性

             

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


            固體樣品:聚合物和陶瓷隔膜

            液體:碳酸二甲酯溶劑(DMC)

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

             

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            加速電解液填充


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

            從小型電池到電動汽車的大規(guī)模應(yīng)用,對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。

            這個過程被稱為潤濕過程,由于電極的潤濕性差,擴(kuò)散距離長,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)天時間。漫長的加工過程會增加制造時間,同時也會增加制造成本。

            電解質(zhì)吸入量可以用力學(xué)表面張力儀測量,類似于電極漿料優(yōu)化的測量(6)。在做電解質(zhì)吸入測量時,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。測量吸入的質(zhì)量,以時間作為函數(shù)。

             

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            結(jié)論

             

            潤濕性測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發(fā)提供了高效的測量工具。


            關(guān)鍵的是張力儀可以提供電極漿料的表面張力,以優(yōu)化涂層和干燥過程。使用光學(xué)或力學(xué)張力儀測量漿料的表面張力,較低的表面張力導(dǎo)致較好的表面潤濕。


            電極材料的潤濕性,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濕性,以及較好的附著力。

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


            評估電解液的吸收以加速填充過程,使用力學(xué)張力儀監(jiān)測電解液吸入電極材料的情況。

             

            有興趣了解更多?

             

            如果你想了解更多關(guān)于Biolin張力儀的知識,以及它們?nèi)绾螏椭愕墓ぷ?,請?lián)系我們,我們會告訴你更多。我們很樂意聽到你的消息。

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            Sigma 700是性能優(yōu)異的表面張力儀,由計算機(jī)控制,自動化程度高。適用于研發(fā)、工業(yè)質(zhì)量控制、常規(guī)測試和科研。


            - 完整的測量功能

            • 表面張力

            • 界面張力

            • 臨界膠束濃度(CMC)

            • 動態(tài)接觸角

            • 表面自由能(SFE)

            • 粉末潤濕性(Washburn)

            • 粘附力

            • 沉降

            • 密度


            - 自動化

            只需一次點擊就可以輕松地進(jìn)行測量。


            - 高精度測量

            Sigma 700支持所有測試方法。適合較重樣品的動態(tài)接觸角和粉末潤濕性測試。


            大昌華嘉(大昌洋行(上海)有限公司)是一家專注于亞洲地區(qū),在市場拓展服務(wù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的集團(tuán)。大昌華嘉致力于幫助其他公司和品牌拓展在消費品、醫(yī)藥保健、特色原料、科技事業(yè)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。大昌華嘉于1865年成立,憑借深厚的瑞士傳統(tǒng)背景,公司在亞洲開展業(yè)務(wù)歷史悠久,深深植根于亞太地區(qū)的社會和企業(yè)界。
            大昌華嘉儀器部專業(yè)提供分析儀器及設(shè)備,代理眾多歐美先進(jìn)儀器,產(chǎn)品范圍包括:顆粒,物理,化學(xué),生化,通用實驗室的各類分析儀器以及流程儀表設(shè)備,在中國的石化,化工,制藥,食品,飲料,農(nóng)業(yè)科技等諸多領(lǐng)域擁有大量用戶,具有良好的市場聲譽。我們的業(yè)務(wù)逐年增加,市場不斷擴(kuò)大。大昌華嘉公司在中國設(shè)有多個銷售,服務(wù)網(wǎng)點,旨在為客戶提供全方位的產(chǎn)品和服務(wù)。

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