電池在現(xiàn)代生活中十分常見(jiàn)，我們對(duì)其依賴(lài)性從未像現(xiàn)在這么大。因此，通過(guò)生產(chǎn)控制以?xún)?yōu)化電池性能，變得越來(lái)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(duì)電漿粘度的影響。

       電極組分

       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(yáng)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(duì)于最終的電漿的物理性質(zhì)有著重要影響。

 

       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(chǎng)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(duì)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。

       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。

 

       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。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(cè)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(cè)量。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(jí)（約200倍）。NMP的粘度在很大范圍內(nèi)均與剪切速率無(wú)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(lài)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(chǔ)存狀態(tài)（對(duì)應(yīng)低剪切速率過(guò)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(guò)來(lái)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(cè)量

       為了測(cè)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(cè)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(cè)量了超過(guò)70000個(gè)顆粒。

       天然石墨材料相比人工合成的碳黑樣品包含更多的細(xì)粒度顆粒。此外，發(fā)現(xiàn)盡管兩種碳黑樣品的長(zhǎng)徑比差別很小，但合成碳黑材料B相比天然碳黑A有著更高的圓度。

 

       測(cè)試結(jié)論

       本文中的兩種碳基電極材料，當(dāng)將其添加到電漿中后，其粘度存在很大差別，導(dǎo)致在電池制造過(guò)程中涂布表現(xiàn)的差異。結(jié)合顆粒圖像表征手段，可以觀察到天然碳黑包含更高比例的細(xì)粒度材料與不規(guī)則顆粒。由此，當(dāng)分散到電漿中時(shí)，添加天然石墨的電漿將表現(xiàn)為粘度較高、壓實(shí)度較低。電漿粘度過(guò)高，將使涂敷到電極箔上時(shí)的涂敷控制變得困難，可能導(dǎo)致涂層厚度與密度不均勻。這將影響電池性能，且由鋰離子傳輸速率的不穩(wěn)定性導(dǎo)致不可預(yù)期的電池壽命。