懸濁液性質(zhì)

點擊「高工鋰電」可快速關(guān)注

微信號： weixin-gg-lb

長久以來，我們一直在追尋如何有限的體積和質(zhì)量內(nèi)提高儲能密度，鋰離子電池更是如此，從最初的幾十瓦時/公斤，發(fā)展到今天能量密度達到300wh/kg左右。

鋰離子電池能量密度的提升主要依靠兩個方面，一個是關(guān)鍵材料技術(shù)的進步，例如正極材料、負極材料容量的不斷提高，促進了鋰離子電池能量密度的提升。另一個方面主要依賴于電池結(jié)構(gòu)設計的進步，例如更厚的電極、更少的電解液等，以達到提高能量密度目的。

提升電池能量密度的一個辦法是制備超厚電極，這樣可以在相同的重量內(nèi)盡量減少非活性物質(zhì)所占的比重，例如集流體和極耳、電池殼體等，但是高涂布量會抑制電極浸潤、鋰離子擴散，造成電極嵌鋰不均勻，不可逆容量損失，同時由于接觸不良，會造成電池產(chǎn)生較大的阻抗，從而影響電池的倍率性能，這些都會對電池的循環(huán)壽命、日歷壽命、電化學性能以及極片的機械強度產(chǎn)生負面的影響。

這是否意味著高涂布量就等于性能差呢?相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，電極的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率對鋰離子擴散有著顯著的影響。動力學研究也顯示，電極的微觀結(jié)構(gòu)，例如活性物質(zhì)、導電劑和粘結(jié)劑的分散，對擴散動力學影響十分顯著。

因此對于超厚電極，可以通過合適的孔結(jié)構(gòu)來改善電池的性能。從動力學的觀點來看，從集流體到電極表面孔隙率逐漸提升的電極不但能夠保證足夠的離子擴散速度，還能保證足夠的電子導電性。

一般來講，隨著電極活性物質(zhì)的中間粒徑尺寸的上升，電極的孔隙率會下降?；钚晕镔|(zhì)的粒徑呈現(xiàn)多峰分布時，電極孔隙率要低于呈單峰分布的活性物質(zhì)。利用上述特點，通過多層電極工藝就能夠?qū)崿F(xiàn)電極孔隙率梯度分布，從而提升超厚電極性能。

近日，德國卡爾斯魯厄理工學院的Boris Bitsch等基于該原理開展了具有梯度孔隙率分布的超厚鋰離子電池電極制備研究。該研究最顯著的特點是利用了現(xiàn)有的設備和工藝，因此十分具有工業(yè)化潛力。

Boris Bitsch等采用了一種稱作毛細懸濁液的工藝，毛細懸濁液具有獨特的流變特性，因此具有十分優(yōu)秀的工藝性，目前毛細懸濁液工藝已經(jīng)成功的應用于多孔陶瓷和玻璃膜的生產(chǎn)上，但是還未見用于鋰離子電池多孔電極的生產(chǎn)。

Boris Bitsch等采用片層狀人造石墨，相比于球形石墨，片層狀石墨由于良好的導電性更加適合超厚復合電極，導電劑采用炭黑材料CB，CMC作為粘結(jié)劑和流變特性控制媒介，三者的比例為91.9：5.1：3，漿料的固含量控制在20%左右。在上述材料完成勻漿操作后，向漿料中添加2%的1-辛醇，涂布采用了噴涂工藝進行。實驗中使用的雙層電極，是通過直接在濕漿料涂層上直接二次涂布而成。

漿料的流變特性研究，表明1-辛醇的加入使得漿料的低剪切粘度明顯上升，而高剪切粘度影響不大，這意味著1-辛醇的加入能夠提升材料的高速涂布性能。掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，由于1-辛醇的加入使得炭黑材料更加容易團聚，因此需要使用更高的攪拌轉(zhuǎn)速來高炭黑材料的分散均勻性，這一特性也使得電極的孔隙率上升，研究表明1-辛醇的添加使得材料的孔隙率從53%提高到了66%。

電化學測試發(fā)現(xiàn)，通過添加1-辛醇并在高轉(zhuǎn)速下勻漿可以顯著的提高電極的恒流充電容量，從325mAh/g(0.1C)和175mAh/g(0.2C)提高到了360mAh/g(0.1C)和230mAh/g(0.2C)。在0.5C倍率下，傳統(tǒng)方法制備的電極比容量僅有300mAh/g，而添加辛醇的電極可以達到350mAh/g。

為了進一步提升電極的綜合性能，Boris Bitsch等制備了普通漿料(底層)與添加1-辛醇的毛細懸濁液漿料(上層)雙層電極，這樣就形成了一個從銅箔到隔膜，孔隙率梯度提高的電極結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)在結(jié)合了高孔隙率的電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點的同時，也提高了電極的質(zhì)量密度，從而提高了電池整體的體積能量密度和質(zhì)量能量密度。

該電極制備方法，為高能量密度鋰離子電池采用的超厚電極制備提供了有益的借鑒。通過1-辛醇的加入調(diào)控電極的孔隙率，雙層電極工藝，結(jié)合了高孔隙率電極的優(yōu)勢，也獲得了較高的電極質(zhì)量密度，有助于提升電池的體積能量密度和重量能量密度。

↙點擊下方“閱讀原文”查看更多內(nèi)容。