锂电池陶瓷涂层隔膜前期的陶瓷浆料稳定性评估 - 之双重陶瓷材料对陶瓷浆料稳定性的提升

隔膜性能决定了电池的内阻和界面结构,进而决定了电池容量、安全性能、充放电密度和循环性能等特性。因此需满足如下一些特性1、好的化学稳定性一耐有机溶剂;2、机械性能良好一拉伸强度高,穿刺强度高;3、良好的热稳定性一热收缩率低，较髙的破膜温度;4、电解液浸润性一与电解液相容性好,吸液率高。 

陶瓷涂覆特种隔膜特别适用于动力电池，它是以PP,PE或者多层复合隔膜为基体,表面涂覆一层纳米级三氧化二铝材料,经过特殊工艺处理,和基体粘接紧密，显著提高锂离子电池的耐髙温性能和安全性。

为了尽量减少在制造陶瓷涂覆隔膜时使用易燃、有毒、昂贵和非环境有机溶剂，目前人们开始广泛使用水性陶瓷浆料，但水性陶瓷浆料的主要问题是分散稳定性差。在前几篇应用文章里，我们介绍了表面活性剂浓度以及粉体，聚合物粘结剂，表面活性剂三者的添加顺序对水性陶瓷浆料的稳定性的影响。

然而，在这种情况下，为了保持涂层质量，仍然需要使用稳定剂和润湿增强剂等功能性添加剂，或者对聚烯烃隔膜的表面进行改性，使其具有亲水性。这些功能添加剂在锂电池中起着杂质的作用，可能影响锂电池的电化学性能。且隔膜的表面处理增加了工序数，从而降低了制造工艺的效率，增加了生产成本，在经济上是不利的。    

新的研究发现结合两种不同电极性和晶粒尺寸的陶瓷可以产生协同效应，使得在不需要使用分散稳定剂的情况下即可提高水性陶瓷浆料的分散稳定性。

1. 测试原理

Fig1 Test Principle

使用近红外光源（或多光源系统）不断照射整个样品，在样品离心加速分离的同时，与光源平行的检测器随时间连续监测并反应样品的透光率变化，从而形成样品在分离过程的空间和时间透光率图谱。通过配套的分析软件，既可定性分析样品详细的失稳过程，又可对样品间的不稳定性指数，界面分层，颗粒迁移速度，粒度和分布等进行定量分析和比较。

2. 样品和测试条件

2.1 样品材料：水溶性高分子聚合物粘结剂羧甲基纤维素钠（CMC），Al2O3（D50=430nm）, SiO2（D50=12nm）, 去离子水

2.2 样品制备：将以上材料按照比例（Al2O3/Si02/CMC/去离子水＝35/4/1/60 w/w/w/w），先用磁棒在25℃下以450rpm的速度不断搅拌混合物12小时，然后使用Thinky搅拌机在25℃下搅拌5分钟。    

2.3 测试条件：LUMiSizer610，NIR870nm，25℃，2500rpm，10000s

3. 测试结果

Figure 1 Instability index for various types of aqueous ceramic coating slurries determined using Lumisizer (a) as a function of centrifugation time and (b) at a centrifugation time of 1000s    

图1展示了在该测试条件下，不同材料的组合情况对陶瓷浆料稳定性的影响。

与其他情况相比，含有聚合物粘合剂的陶瓷浆料(4、5和6)表现出更高的分散稳定性。这可能是由于CMC的增稠和凝胶作用（如图2的稳定机理）。

与单独的Al2O3 (4)或SiO2 (5)陶瓷相比，Al2O3和SiO2的混合物(6)表现出更高的分散稳定性。由于Al2O3和SiO2的粒度不同以及zeta电位的极性相反，SiO2降低了陶瓷颗粒之间的范德华力，同时也使包裹在SiO2中的Al2O3颗粒之间产生静电斥力，改善了分散状态（如图2的稳定机理）。

Figure 2 Demonstrating the formation of the Si02 sheath around the Al203 particles, resulting in the stable dispersion of the dual ceramic slurry.

4. 小结

本文证明了通过预混双重陶瓷材料，在水溶液中不需要功能性添加剂即可实现提高陶瓷浆料的分散稳定性的作用。使得锂电池制造流程更加环境友好，并且对锂电池用陶瓷涂覆隔膜的后续一系列品质的提高提供了良好基础。