新品應用 | 揭示不同配方和不同工藝對鋰電漿料導電網絡結構穩(wěn)定性的影響
簡介
鋰電漿料網絡結構的穩(wěn)定性對于電池的性能至關重要。良好的網絡結構有助于活性物質、導電劑和黏結劑之間的有效接觸,從而提供必要的電子和離子通道,保證電子和離子傳輸高效;另外穩(wěn)定的網絡結構可以防止顆粒在儲存、泵送、涂布、恢復過程中重新聚集。以上性能對于電池的充放電性能和循環(huán)壽命至關重要。
開發(fā)直接評估測試鋰電漿料網絡結構穩(wěn)定性的方案,實現(xiàn)鋰電漿料制程前端的評估,減少由于漿料不合格造成的不良極片就顯得尤其重要;另外,我們也可以通過評估不同漿料網絡結構穩(wěn)定性,揭示不同物料/工藝對漿料導電網絡穩(wěn)定性的影響,從而開發(fā)更良的配方/工藝的鋰電漿料。
實驗
TA儀器的阻抗-流變聯(lián)用技術是通過給樣品施加一定頻率的剪切力和對應頻率的交流電,測試樣品的流動曲線、黏彈性,以評估漿料的流動性,確保涂布的均勻性。但不同于傳統(tǒng)旋轉流變儀在鋰電漿料的使用,阻抗-流變可以同步評估漿料在對應剪切速率下的阻抗信息,得到漿料阻抗隨剪切力變化的數據,從而分析樣品導電網絡結構穩(wěn)定性、活性物質分散均勻性。
此次我們分享兩個測試示例,揭示不同配方和工藝對漿料導電網絡結構/活性物質分散均勻性的影響。
測試案例1
不同工藝對不同固含量漿料
導電網絡結構的影響
正極漿料配比信息:
NMC:PVDF:CB = 90:5:5 NMP solvent

圖1-1
旋轉流變流動測試顯示,不同攪拌工藝的固含量為40%漿料在屈服應力和流動曲線方面表現(xiàn)出較為一致的流變特性(圖1-2中A圖)。對于固含量為50%的漿料,不同攪拌工藝的漿料在低剪切速率下存在差異(圖1-2中C圖),而在高剪切速率下則無顯著區(qū)別。也即,從旋轉流變儀流動曲線測試,不足以評估不同攪拌工藝對漿料的影響。
TA儀器的阻抗-流變可在獲取漿料黏彈性的同時,獲取不同剪切速率下的漿料阻抗信息:基于不同的攪拌工藝,40%和50%固含量的漿料在不同剪切速率下阻抗特性上顯示出明顯差異(圖1-2中B圖和D圖)。具體而言,行星式攪拌器(圓圈)在整個交流電頻率范圍內表現(xiàn)出較低的阻抗。對于50%固含量的漿料,不同攪拌工藝對阻抗的影響更為明顯(圖1-2中D圖),尤其在高頻段,差異明顯。

圖1-2
小結:通過TA儀器的阻抗-流變測試顯示,行星攪拌器對NMC:PVDF:CB = 90:5:5配比的漿料攪拌效果更佳,尤其在高固含量的漿料中,優(yōu)勢更加明顯。
測試案例2
不同碳納米管CNT含量對漿料
導電網絡穩(wěn)定性的影響
碳納米管的特殊的結構和高導電性可以實現(xiàn)少量添即可改善電池充放電效率和循環(huán)壽命。此次以不同含量的CNT添加劑制備漿料的測試對比,研究CNT含量對漿料導電網絡結構穩(wěn)定性的影響。
樣品信息:分別以2%wt和4%wt碳納米管添加量所制備的正極漿料
4%wt碳納米管漿料表現(xiàn)出較高的黏度(相較2%wt碳納米管漿料),這與預期相符(圖2-1)

圖2-1
進一步通過不同剪切速率下的阻抗信息顯示,在高剪切條件下,兩種漿料的電阻均顯著增加,表明導電網絡機構發(fā)生崩塌。同時我們發(fā)現(xiàn)2%wt碳納米管漿料的奈奎斯特圖在高速剪切后恢復,與初始狀態(tài)低剪切的阻抗一致,表明2%wt碳納米管漿料的導電網絡在高速剪切后恢復。相比之下,4%wt碳納米管漿料在高速剪切后,阻抗明顯降低,說明4%wt的漿料導電網絡網絡發(fā)生了重新排列。

圖2-2
通過阻抗-流變測試結果顯示,在涂布過程中,2%碳納米管漿料網絡結構在經歷高速剪切后可以恢復,也進一步說明此漿料混合攪拌已達到均勻。4%碳納米管漿料的導電網絡結構在經歷高剪切后會發(fā)生重構,這表明該漿料可能存在攪拌不充分或碳納米管添加過量的問題。
總結
TA儀器2024年全新上市的Rheo-IS流變-阻抗譜,通過旋轉流變和阻抗的聯(lián)用,可幫助用戶在獲取鋰電漿料流變曲線、黏彈性等物理性能的同時,得到對應剪切速率下的阻抗信息,揭示不同配方/工藝的漿料網絡結構穩(wěn)定性和活性物質分散均勻性。

創(chuàng)新的Rheo-IS流變-阻抗譜采用專有的無摩擦設計,無需接觸上板即可同時準確測量流變性能和阻抗信息,且不損耗扭矩。穩(wěn)定的高頻阻抗測量可進入炭黑導電網,且無需液態(tài)電解質進行電接觸。通過帕爾貼設計,實現(xiàn)精確的溫度控制和5分鐘以內的快速更換安裝, 顯著提升了Discovery HR系列混合流變儀的多功能性和易用性。
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