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锂离子电池浆料的流变特性研究

2019年01月28日 10:35   来源:东南科仪
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锂离子电池

与传统的二次电池如铅酸电池、Ni/Cd电池等相比,在比功率、能量密度及充放电性能方面有着明显的优势,锂离子电池还有着循环寿命长、自放电率低、绿色环保等优点。在锂离子电池的生产研发过程中,正负极片的性能对于电池性能影响巨大。而其中正负极材料特性和相关的加工工艺是为重要的影响因素。相关电池浆料的流变性能直接影响浆料的存储、涂布工艺。

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电池浆料的流变特性与储存稳定性和涂布性能关系密切。在储存过程中,低剪切速率范围内的剪切粘度越大,浆料就越稳定。可以通过一定剪切速率下,粘度随时间的变化关系表征电池浆料的沉降性能。

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涂布过程是高剪切速率过程,在集流体上涂布后,浆料的平流过程又是低剪切速率过程。所以电池浆料在高剪切速率范围下剪切粘度不能太高,如果粘度过大,则会造成涂布困难;在涂布后集流体上的浆料在重力和表面张力的作用下平流,在低剪切速率范围,希望粘度逐渐恢复到涂布之前的高粘度。

在还没有完全恢复到高粘度之前,浆料的粘度还比较小,容易平流,涂层表面光滑厚度均匀。恢复的时间不能太长,也不能太短。恢复时间太长,浆料在平流过程中粘度太小,容易出现拖尾或者下边缘比上面的涂层厚度高的现象。如果时间太短,浆料平流时间不够。

通过DV3T、SSA描绘粘度-时间流变曲线表征浆料的储存稳定性

电池浆料在储存过程中,浆料中的颗粒只受到重力的作用,剪切速率非常低,通常的剪切速率范围是 -。在储存过程中,粘度越大,浆料就越稳定。BROOKFIELD博勒飞 DV3T配合SSA可以通过描绘在恒定低剪切速率下浆料的粘度随时间的变化关系来表征电池浆料的沉降性能。

图1是负极电池浆料在低剪切速率 0.1下的剪切粘度随时间的变化关系。可以看出,负极浆料的剪切粘度随储存时间增加而减小,说明负极浆料在缓慢沉降。
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图1 负极电池浆料粘度-时间曲线(剪切速率为0.1S-1)


羧甲基纤维素钠(CMC)是电池浆料配方中的常用助剂,主要起增稠的作用,用于悬浮固体颗粒,阻止沉降,提供存储稳定性。羧甲基纤维素钠(CMC)溶液需要在低剪切速率范围内具有高粘度,有助于悬浮固体颗粒,降低颗粒的沉降速率。但是在高剪切速率范围下,需要有较小的剪切粘度,便于涂布。

图2是3%浓度的羧甲基纤维素钠(CMC)溶液的剪切粘度曲线,可以看出,羧甲基纤维素钠(CMC)溶液具有剪切变稀行为。

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图2 CMC溶液剪切速率-粘度曲线

电池浆料流变特性对涂布工艺的影响

电池浆料的涂布过程是高剪切速率过程,在集流体上涂布后,浆料的平流过程又是低剪切速率过程。所以电池浆料在高剪切速率范围下剪切粘度不能太高,如果粘度过大,会造成涂布困难;

在涂布后,浆料会在集流体上的重力和表面张力的作用下平流,在低剪切速率范围,希望粘度逐渐恢复到涂布之前的高粘度。在还没有完全恢复到高粘度之前,浆料的粘度还比较小,容易平流,涂层表面光滑厚度均匀。

恢复的时间不能太长,也不能太短。恢复时间太长,浆料平流过程中年度太小,容易出现拖尾或者下边缘的厚度比上面的涂层厚度高的现象。如果时间太短,浆料平流时间不足。这个过程可以分为三个阶段,三个剪切速率下粘度的变化来表征。

测试方法,BROOKFIELD博勒飞DV3T流变仪配合SSA利用单机编程功能,设置三个步骤,步:剪切速率0.1,测试时间60s,模拟浆料在涂布前的剪切粘度;第二步,剪切速率100,测试时间60s,模拟涂布过程的高剪切速率过程,此时剪切粘度会急剧降低;第三步,剪切速率0.1,模拟涂布后浆料粘度的恢复情况。

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