應(yīng)用案例 | 鋰離子電池漿料的流變學(xué)表征
電池漿料由電池正/負(fù)極材料、粘接劑、導(dǎo)電劑等通過(guò)攪拌均勻分散在溶劑中形成,是粘稠度較高的固液兩相懸浮體系,屬于典型的非牛頓流體。
漿料在儲(chǔ)存過(guò)程中處于近似靜止?fàn)顟B(tài),涂布到集流體(銅箔、鋁箔等)上的過(guò)程為高速剪切過(guò)程,涂布后漿料在重力和表面張力的作用下流平,屬低剪切速率范圍。為了得到厚度均勻的涂層,要求:
1. 漿料在儲(chǔ)存時(shí)有良好的抗沉降性能。
2. 在高剪切速率范圍內(nèi)漿料的粘度不能太高,否則涂布困難。
3. 涂布后漿料的粘度恢復(fù)時(shí)間要合理。恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易出現(xiàn)拖尾、或者下邊緣的厚度比上部大,恢復(fù)時(shí)間過(guò)短則沒(méi)有足夠的時(shí)間達(dá)到流平狀態(tài)。
利用流變儀測(cè)試不同剪切速率范圍內(nèi)的漿料粘度,以及觸變性、屈服應(yīng)力、粘彈性,可以對(duì)漿料在儲(chǔ)存階段的沉降穩(wěn)定性、涂布和流平過(guò)程中的相關(guān)流變特性進(jìn)行全面表征,并反饋指導(dǎo)漿料配方、制備與電極涂布工藝。
上圖是正極漿料典型的流動(dòng)曲線,可以看出該正極漿料具有剪切變稀行為,即剪切粘度隨剪切速率增加而減小。
電池漿料在儲(chǔ)存過(guò)程中,漿料中的顆粒只受到重力的作用,通常剪切速率范圍在10-6 ~ 10-2 s-1。低剪切速率范圍內(nèi)的剪切粘度越大,漿料就越穩(wěn)定。固體顆粒在連續(xù)相中的沉降速率可以通過(guò)修正的Stokes方程預(yù)測(cè)。
典型的狹縫涂布的剪切速率范圍在 10s-1 ~ 1000s-1 之間。
通過(guò)精確測(cè)量不同剪切速率范圍的剪切粘度曲線,可以全面地表征漿料的流變特性。
上圖為采用三段階躍方法測(cè)試漿料在不同剪切速率下的粘度曲線。
· 第一階段:剪切速率為0.01s-1,持續(xù)時(shí)間600s,模擬漿料在涂布前的粘度。
· 第二階段:剪切速率為100s-1,持續(xù)時(shí)間600s,模擬漿料在涂布過(guò)程中的粘度。
· 第三階段:剪切速率為0.01s-1,持續(xù)時(shí)間1800s,模擬漿料在流平過(guò)程中的粘度。
所測(cè)漿料在第一階段(低剪切速率)粘度在幾百Pa*s量級(jí),第二階段(高剪切速率)粘度急劇下降,僅為幾Pa*s,第三階段(低剪切速率)粘度緩慢恢復(fù),將粘度恢復(fù)至第一階段粘度值的90%所需要的時(shí)間定義為結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)間,表示粘度恢復(fù)的快慢。
使用動(dòng)態(tài)振幅頻率掃描測(cè)試,可表征漿料的穩(wěn)定性。如上圖所示,對(duì)于 Slurry1 樣品,在低頻區(qū)域,彈性模量(G')> 粘性模量(G"),說(shuō)明漿料內(nèi)部具有強(qiáng)相互作用,表現(xiàn)出類固體行為。而對(duì)于 Slurry2 樣品,彈性模量(G')<粘性模量(G"),表現(xiàn)出類液體行為,長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存容易發(fā)生沉降。
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