应用案例 | 用表界面分析方法提升电池充电速度

研究背景

在任何大规模生产过程中，时间和成本效率都是密切相关的。但是，在机器化大生产领域，时间往往是关键，而高容量锂离子电池的制造商则必须在完全不同的维度上应对时间问题。填充一个电池的电解液可能需要许多小时--这是工艺链中一个恼人的瓶颈。因此，电池开发商迫切地寻找加快这一工艺的方法。

由于电极材料的特殊性，填充电池的等待时间较长。多孔层必须完全被电解液渗透，以确保最佳的质量和电荷传输。这需要多长时间，取决于材料的化学成分、层的厚度和密度，以及电解液的润湿性。因此，有些地方需要进行干预--最好是借助提前测量润湿率的方法，而不是在电池中进行电化学测量。

电解液需要很长的时间才能渗透到电极材料内部的所有孔隙

用Washburn法监测润湿性

在Washburn这个名字的背后，隐藏着一种优雅的测量润湿速度的方法。精密的力学传感器可以检测多孔样品中液体随时间上升而引起的质量增加。基于由此产生的润湿速度K，不同的电极材料甚至在电池中使用之前就可以相互比较。例如，该方法可用于确定浆料中炭黑的最佳比例。

Washburn测量中时间质量增加的研究进展

研究结果还表明，电极润湿性如何受到涂层工艺（压延）参数的影响。[1] 原则上，可以研究影响润湿时间的所有可能因素，从而进行优化。

Washburn法揭示的湿润率对压延工艺的依赖性[1]。

电解液表面张力的作用

润湿始终是两种组分之间的一个过程，当然电解液的性质也会影响填充时间。表面张力（SFT）越低，润湿速度越快，这就是为什么表面活性物质（表面活性剂）经常添加到电解液中。张力测量--可使用与Washburn法测量所用的相同仪器进行--可快速获得SFT和添加剂效果的结果。

极性与润湿性的关系

如果我们刚刚谈到SFT和湿润之间的直接关系，这仅仅是故事的一半。主导润湿的界面化学相互作用也取决于电解质和电极材料的极性。借助于更深入的研究，可以根据接触角和电极材料的表面自由能（SFE）更精确地记录这些相互作用。某种程度上更大的努力是值得的。例如，根据表面自由能及其极性部分，可以计算出电解质或电极材料的哪些特性会导致最佳的润湿。与其用试错法进行研究，不如根据有意义的结果参数，有针对性地优化润湿。

借助扩散系数寻求电极与电解液的最佳匹配

[1] Sheng, Yangping: Investigation of Electrolyte Wetting in Lithium Ion Batteries: Effects of Electrode Pore Structures and Solution. Theses and Dissertations 1080 (2015).