流变仪在锂离子电池中的应用

在锂离子电池生产过程中，浆料的质量对极片的加工和电池的Z终电性能有着直接的影响。介绍了流变仪在锂离子电池浆料研究中的常用概念，综述了流变仪在锂离子电池浆料的加工过程以及在原材料和添加剂等方面的应用研究进展，为制作分散均匀且稳定的浆料提供了参考。

锂离子电池自1990年代商业化生产以来，凭借能量密度高，循环寿命好，自放电率低，无记忆效应等特点，近年来在电动汽车、储能系统等领域得到了广泛应用。

在锂离子电池领域，目前绝大多数的研究都集中在活性材料上，如材料的晶格结构、合成过程、掺杂、表面包覆和电化学性能。然而，很多报道也显示，电池的性能更多地受到其他因素的影响，如碳导电剂、粘结剂、集流体，除此之外，还包括电极的加工过程。锂离子电池的电极加工过程是将含有活性材料和多种非活性物质混合的浆料涂覆在金属集流体上，而浆料的流变特性等制程因素对电池的Z终性能产生了决定性影响。

锂离子电池的浆料是非牛顿型高粘度流体，而生产过程中对浆料涂布的加工精度(如厚度和密度分布的一致性)要求非常高。在传统陶瓷浆料工艺中浆料粘度低时，具有较好的流动性以便浇注时填充模具以及排除气泡，但粘度过低则浆料的稳定性变差，在浇注与固结过程中颗粒下沉而出现分层现象，Z终导致成型后的坯体密度不均。

而在锂离子电池中需要添加各种导电剂和粘结剂以形成导电网络，然而颗粒的聚集在浆料中产生了不均匀性。这种不均匀性会在复合电极中产生裂纹和空隙，使电子通路出现中断，进而影响电池性能。因此，制作分散均匀的、稳定的浆料成为Z为重要的条件。

但是锂离子电池浆料基本都呈现黑色不透明粘性流体或胶体状态，无法用裸眼看到分散均匀程度，而不同分散状态的浆料有着不同的粘度趋势。因此，流变特性是分析锂离子电池浆料分散状态的重要手段。

流变仪可在接近真实加工条件下，对样品在力、热作用下的行为进行研究，如样品的流动特性、加工过程中的结构变化、降解及混合质量等性质。而锂离子电池的浆料流动特性与浆料的固含量、搅拌工艺和加料顺序等都有很大的关系。另外，浆料的粘度和沉降稳定性也会对后续的涂布过程产生影响。

本文综述了流变仪在锂离子电池浆料研究中的常用概念，综述了流变仪在锂离子电池浆料的加工过程，以及在原材料和添加剂等方面的应用研究进展。

流变仪的常用概念

根据浆料的表观粘度与剪切速率的关系，常把浆料分成三种，分别是剪切稀化型、剪切稠化型和牛顿型流体。锂离子电池生产中Z常见的浆料属于剪切稀化型，即Casson型，表观粘度随剪切速率的增大而减小。浆料剪切稀化是由于浆体中存在着团聚的粒子。当浆料中的粒子较细时，易产生局部团聚。

粒子团聚程度与浆料的粘度相关。当浆料随剪切作用流动时，团聚的粒子被剪切力打开，而剪切速率越大，团聚粒子的解离程度越大，从而使浆料的表观粘度不断降低，呈现出剪切稀化的现象。屈服应力也是流变仪上常见的指标，指物料出现流动迹象时所需要的Z小剪切应力。浆体中细颗粒通过絮凝作用形成具有一定抗剪强度的网络结构是出现屈服应力的主导因素之一。

动态粘弹性测试也常用于表征浆料的絮凝程度和网络结构的性质，常用的指标是储能模量(G')和损耗模量(G'')对振荡频率的对数坐标图。储能模量(G')与絮凝块内部结构的强度相关，而损耗模量(G'')则与动态的粘度相关。当G'>G''时，说明浆料是由胶态凝胶组成，颗粒单元直接相互连接成体积填充的网络结构，固相的网络结构没有被彻底破坏，浆料流动性差。而G'

综上所述，随着锂离子电池的电极的加工过程受到重视，能够用于锂离子电池浆料性质研究的流变仪在锂离子电池生产过程及原材料的筛选中得到了广泛应用。由于不同的研究者或企业制作的锂离子电池选用的材料不同，使用的设备不同，生产工艺不同，对电池浆料的流变性能要求也不相同，因此浆料的流变性能仅能作为评价材料或者工艺的一个重要指标。

但是在体系相同的情况下，浆料的表观粘度基本与浆料的分散情况相关，浆料的分散程度越好，浆料的表观粘度越低。同时，动态粘弹性测试的结果中，G'的增大有助于提高浆料的稳定性，然而G'过大则影响浆料的流动性和涂布性能。制作分散均匀而稳定的浆料已成为提高锂离子电池性能的重要手段。