【应用】表界面技术在锂电池行业的应用

KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡，是表面科学仪器领域的全 球领导品牌，至今已有两百多年历史。近50年来，KRÜSS致力于表界面研究，先后研发了世界上第 一台商用全自动表面张力仪和第 一台全自动接触角测量仪，并首 创了Washburn粉末测量方法和Pendant Drop表面张力测量法。KRÜSS目前主要产品包括各类接触角测量仪、动/静态表面张力仪以及泡沫分析仪等。

背景和研究

锂离子电池广泛应用于智能设备，可穿戴设备，电力储存系统等新兴应用领域，为了提高其能量密度和循环性能，锂离子电池的研究除了在结构、材料开发方面外，电解液的浸润是制造工艺中的关键环节。电解液，隔膜，电极和集流体之间的界面润湿性会极大的影响电池的性能。

图1. 锂离子电池结构示意图

电解液对极片的浸润：当把电解液注入电池壳内时，电解液会通过卷芯的隔膜进入正极-隔膜-负极之间。随着时间的延续，会出现电解液浸润极片、隔膜内电解液反向浸润极片的现象，当静置时间长到一定程度时，在电解液表面张力的作用下，对极片的浸润就达到一个平衡的状态，此时固-液-气三相之间的夹角θ为接触角（润湿角）。

图2. 气-液-固三相平衡时的接触角

电解液是电池正负极之间起传导作用的离子导体，充放电过程中，在正负极间往返地传输锂离子。通常采用的电解液为有机溶剂，在电解液中加入外加剂也能够改善电解液的浸润。浸润剂的实质是表面活性剂，此类浸润剂具有高表面活性、高耐热稳定性、低可燃性和高化学稳定性等优点，在电解液中添加浸润剂后能够降低液体的表面张力，提高电解液对极片和隔膜的润湿能力和渗透能力，从而提高电池的电化学性能。力学板法或者环法，光学悬滴法等测试电解液的表面张力。

隔膜-电解液的润湿性指的就是电解液在隔膜表面的铺展能力，较好的润湿性有利于提高隔膜与电解液的亲和性，扩大隔膜与电解液的接触面，从而增加离子导电性，提高电池的充放电性能和容量；同时润湿性能够影响锂金属负极枝晶的生长，隔膜-电解液间的润湿性好，那么隔膜中锂离子传输通道就非常充足，锂离子在隔膜中传输也会变得更加容易。最 后，隔膜的润湿性能改善后，在电池生产工序中，可以缩短电池静置处理时间，提高电池的生产效率。

图3. 润湿性好（左）和润湿性差（右）

条件下隔膜对锂离子流的分散作用

光学座滴法或者力学法测试电解液在隔膜上的接触角。Wang等人以电解液为测试液，通过改性前、改性后PE隔膜的电解液接触角变化，探究一步沉积自组装法改性对PE隔膜润湿性的影响。如图4（a）所示，PE原膜的静态接触角为63°；如图4(b)所示，MPE隔膜的静态接触角为5°。在隔膜表面构筑(CTS/PAA-CSH)有机-无机复合修饰层后，MPE隔膜实现了对电解液的超亲液效果，MPE隔膜拥有最 好的浸润性。为探究改性前、改性后PE隔膜润湿性能变化的原因，使用去离子水与二碘 甲烷，采用OWRK法计算隔膜的表面自由能。如表1所示，PE原膜的表面自由能为42.6 mJ·m-2，MPE隔膜的表面自由能为75.0 mJ·m-2 。改性后隔膜的表面自由能显著提高，这是隔膜表面引入(CTS/PAA-CSH)极性分子修饰层后界面极性增强导致的结果。MPE隔膜的表面自由能大于 PE 隔膜表面自由能，这是MPE隔膜比PE隔膜更加亲液的原因之一。

电解液，隔膜，电极和集流体之间的界面润湿性会极大的影响电池的性能。电解液的表面张力与其在电极和隔膜上接触角可以有效地表征电解液润湿性。克吕士提供多种表面张力和接触角的测试方案。

实验仪器与方法[上海  浦东新区]多通道手持式温度仪

采用KRUSS DSA25S标准型接触角测试仪，接触角测试精确至0.1°。