應用案例 | 鋰離子電池漿料的流變學表征
電池漿料由電池正/負極材料、粘接劑、導電劑等通過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。
漿料在儲存過程中處于近似靜止狀態,涂布到集流體(銅箔、鋁箔等)上的過程為高速剪切過程,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. 漿料在儲存時有良好的抗沉降性能。
2. 在高剪切速率范圍內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時間要合理?;謴蜁r間過長容易出現拖尾、或者下邊緣的厚度比上部大,恢復時間過短則沒有足夠的時間達到流平狀態。
利用流變儀測試不同剪切速率范圍內的漿料粘度,以及觸變性、屈服應力、粘彈性,可以對漿料在儲存階段的沉降穩定性、涂布和流平過程中的相關流變特性進行全面表征,并反饋指導漿料配方、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。
電池漿料在儲存過程中,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。低剪切速率范圍內的剪切粘度越大,漿料就越穩定。固體顆粒在連續相中的沉降速率可以通過修正的Stokes方程預測。
典型的狹縫涂布的剪切速率范圍在 10s-1 ~ 1000s-1 之間。
通過精確測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,持續時間600s,模擬漿料在涂布前的粘度。
· 第二階段:剪切速率為100s-1,持續時間600s,模擬漿料在涂布過程中的粘度。
· 第三階段:剪切速率為0.01s-1,持續時間1800s,模擬漿料在流平過程中的粘度。
所測漿料在第一階段(低剪切速率)粘度在幾百Pa*s量級,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,將粘度恢復至第一階段粘度值的90%所需要的時間定義為結構恢復時間,表示粘度恢復的快慢。
使用動態振幅頻率掃描測試,可表征漿料的穩定性。如上圖所示,對于 Slurry1 樣品,在低頻區域,彈性模量(G')> 粘性模量(G"),說明漿料內部具有強相互作用,表現出類固體行為。而對于 Slurry2 樣品,彈性模量(G')<粘性模量(G"),表現出類液體行為,長時間儲存容易發生沉降。
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