新品应用 | 揭示不同配方和不同工艺对锂电浆料导电网络结构稳定性的影响

简介

      锂电浆料网络结构的稳定性对于电池的性能至关重要。良好的网络结构有助于活性物质、导电剂和黏结剂之间的有效接触，从而提供必要的电子和离子通道，保证电子和离子传输高效；另外稳定的网络结构可以防止颗粒在储存、泵送、涂布、恢复过程中重新聚集。以上性能对于电池的充放电性能和循环寿命至关重要。

     开发直接评估测试锂电浆料网络结构稳定性的方案，实现锂电浆料制程前端的评估，减少由于浆料不合格造成的不良极片就显得尤其重要；另外，我们也可以通过评估不同浆料网络结构稳定性，揭示不同物料/工艺对浆料导电网络稳定性的影响，从而开发更良的配方/工艺的锂电浆料。

实验

     TA仪器的阻抗-流变联用技术是通过给样品施加一定频率的剪切力和对应频率的交流电，测试样品的流动曲线、黏弹性，以评估浆料的流动性，确保涂布的均匀性。但不同于传统旋转流变仪在锂电浆料的使用，阻抗-流变可以同步评估浆料在对应剪切速率下的阻抗信息，得到浆料阻抗随剪切力变化的数据，从而分析样品导电网络结构稳定性、活性物质分散均匀性。

此次我们分享两个测试示例，揭示不同配方和工艺对浆料导电网络结构/活性物质分散均匀性的影响。

测试案例1

不同工艺对不同固含量浆料导电网络结构的影响

正极浆料配比信息：

NMC:PVDF:CB = 90:5:5        NMP solvent

图1-1

       旋转流变流动测试显示，不同搅拌工艺的固含量为40%浆料在屈服应力和流动曲线方面表现出较为一致的流变特性(图1-2中A图)。对于固含量为50%的浆料，不同搅拌工艺的浆料在低剪切速率下存在差异(图1-2中C图)，而在高剪切速率下则无显著区别。也即，从旋转流变仪流动曲线测试，不足以评估不同搅拌工艺对浆料的影响。

     TA仪器的阻抗-流变可在获取浆料黏弹性的同时，获取不同剪切速率下的浆料阻抗信息：基于不同的搅拌工艺，40%和50%固含量的浆料在不同剪切速率下阻抗特性上显示出明显差异(图1-2中B图和D图)。具体而言，行星式搅拌器(圆圈)在整个交流电频率范围内表现出较低的阻抗。对于50%固含量的浆料，不同搅拌工艺对阻抗的影响更为明显(图1-2中D图)，尤其在高频段，差异明显。

图1-2

小结：通过TA仪器的阻抗-流变测试显示，行星搅拌器对NMC:PVDF:CB = 90:5:5配比的浆料搅拌效果更佳，尤其在高固含量的浆料中，优势更加明显。

测试案例2

不同碳纳米管CNT含量对浆料导电网络稳定性的影响

      碳纳米管的特殊的结构和高导电性可以实现少量添即可改善电池充放电效率和循环寿命。此次以不同含量的CNT添加剂制备浆料的测试对比，研究CNT含量对浆料导电网络结构稳定性的影响。

样品信息：分别以2%wt和4%wt碳纳米管添加量所制备的正极浆料4%wt碳纳米管浆料表现出较高的黏度(相较2%wt碳纳米管浆料)，这与预期相符(图2-1)

图2-1

      进一步通过不同剪切速率下的阻抗信息显示，在高剪切条件下，两种浆料的电阻均显著增加，表明导电网络机构发生崩塌。同时我们发现2%wt碳纳米管浆料的奈奎斯特图在高速剪切后恢复，与初始状态低剪切的阻抗一致，表明2%wt碳纳米管浆料的导电网络在高速剪切后完全恢复。相比之下，4%wt碳纳米管浆料在高速剪切后，阻抗明显降低，说明4%wt的浆料导电网络网络发生了重新排列。

图2-2

       通过阻抗-流变测试结果显示，在涂布过程中，2%碳纳米管浆料网络结构在经历高速剪切后可以恢复，也进一步说明此浆料混合搅拌已达到均匀。4%碳纳米管浆料的导电网络结构在经历高剪切后会发生重构，这表明该浆料可能存在搅拌不充分或碳纳米管添加过量的问题。

总结

      TA仪器2024年全新上市的Rheo-IS流变-阻抗谱，通过旋转流变和阻抗的联用，可帮助用户在获取锂电浆料流变曲线、黏弹性等物理性能的同时，得到对应剪切速率下的阻抗信息，揭示不同配方/工艺的浆料网络结构稳定性和活性物质分散均匀性。

       创新的Rheo-IS流变-阻抗谱采用专有的无摩擦设计，无需接触上板即可同时准确测量流变性能和阻抗信息，且不损耗扭矩。稳定的高频阻抗测量可进入炭黑导电网，且无需液态电解质进行电接触。通过先进的帕尔贴设计，实现精确的温度控制和5分钟以内的快速更换安装， 显著提升了Discovery HR系列混合流变仪的多功能性和易用性。