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-之雙重陶瓷材料的混合順序?qū)μ沾蓾{料穩(wěn)定性的影響

隔膜性能決定了電池的內(nèi)阻和界面結(jié)構(gòu),進(jìn)而決定了電池容量、安全性能、充放電密度和循環(huán)性能等特性。因此需滿足如下一些特性1、好的化學(xué)穩(wěn)定性一耐有機(jī)溶劑;2、機(jī)械性能良好一拉伸強(qiáng)度高,穿刺強(qiáng)度高;3、良好的熱穩(wěn)定性一熱收縮率低，較髙的破膜溫度;4、電解液浸潤(rùn)性一與電解液相容性好,吸液率高。 

陶瓷涂覆特種隔膜特別適用于動(dòng)力電池，它是以PP,PE或者多層復(fù)合隔膜為基體,表面涂覆一層納米級(jí)三氧化二鋁材料,經(jīng)過(guò)特殊工藝處理,和基體粘接緊密，顯著提高鋰離子電池的耐髙溫性能和安全性。

為了盡量減少在制造陶瓷涂覆隔膜時(shí)使用易燃、有毒、昂貴和非環(huán)境有機(jī)溶劑，目前人們開始廣泛使用水性陶瓷漿料，但水性陶瓷漿料的主要問題是分散穩(wěn)定性差。在前幾篇應(yīng)用文章里，我們介紹了表面活性劑濃度以及粉體，聚合物粘結(jié)劑，表面活性劑三者的添加順序?qū)λ蕴沾蓾{料的穩(wěn)定性的影響。

然而，在這種情況下，為了保持涂層質(zhì)量，仍然需要使用穩(wěn)定劑和潤(rùn)濕增強(qiáng)劑等功能性添加劑，或者對(duì)聚烯烴隔膜的表面進(jìn)行改性，使其具有親水性。這些功能添加劑在鋰電池中起著雜質(zhì)的作用，可能影響鋰電池的電化學(xué)性能。且隔膜的表面處理增加了工序數(shù)，從而降低了制造工藝的效率，增加了生產(chǎn)成本，在經(jīng)濟(jì)上是不利的。

新的研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合兩種不同電極性和晶粒尺寸的陶瓷可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得在不需要使用分散穩(wěn)定劑的情況下即可提高水性陶瓷漿料的分散穩(wěn)定性。同樣地，不同組分地加入和混合順序也影響了雙重陶瓷水性漿料的穩(wěn)定性。

1.       測(cè)試原理

Fig1 Test Principle

使用近紅外光源（或多光源系統(tǒng)）不斷照射整個(gè)樣品，在樣品離心加速分離的同時(shí)，與光源平行的檢測(cè)器隨時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)并反應(yīng)樣品的透光率變化，從而形成樣品在分離過(guò)程的空間和時(shí)間透光率圖譜。通過(guò)配套的分析軟件，既可定性分析樣品詳細(xì)的失穩(wěn)過(guò)程，又可對(duì)樣品間的不穩(wěn)定性指數(shù)，界面分層，顆粒遷移速度，粒度和分布等進(jìn)行定量分析和比較。

2.       樣品和測(cè)試條件

2.1.                      樣品材料：水溶性高分子聚合物粘結(jié)劑羧甲基纖維素鈉(CMC), Al2O3 (D50=430nm), SiO2(D50=12nm), 去離子水。 

2.2.                      樣品制備：將以上材料按照比例（Al2O3/Si02/CMC/去離子水＝35/4/1/60 w/w/w/w），先用磁棒在25℃下以450rpm的速度不斷攪拌混合物12小時(shí)，然后使用TRILOS混料脫泡機(jī)在25℃下攪拌5分鐘。按照?qǐng)D1所示，改變混合順序以期研究該工藝對(duì)雙重陶瓷水性漿料穩(wěn)定性的影響。

Figure 1 Mixing sequences for the preparation of aqueous dual ceramic coating slurries containing SiO2 and Al203

2.3.                      測(cè)試條件：LUMiSizer610，NIR870nm，25℃，2500rpm，10000s

3.       測(cè)試結(jié)果    

Figure 2 Instability index of aqueous dual ceramic coating slurries containing SiO2 and Al203, prepared according to the different mixing sequences and determined using Lumisizer ( b ) as a function of centrifugation time and ( c ) at a 1000 s centrifugation time

圖2展示了在該測(cè)試條件下，不同組分的順和順序?qū)﹄p重陶瓷水性漿料穩(wěn)定性的影響。不穩(wěn)定性指數(shù)排序?yàn)?/span>seq.B＞seq.C＞seq.A。這表明，在引入CMC聚合物粘合劑之前，將兩種陶瓷(Al2O3和SiO2)預(yù)混在一起，陶瓷漿料的分散穩(wěn)定性最好。如果是先加入CMC聚合物粘合劑，由于CMC聚合物粘合劑表現(xiàn)出類似于SiO2的負(fù)zeta電位，當(dāng)CMC聚合物粘結(jié)劑遇到具有正zeta電位的Al2O3時(shí)，它們與Al2O3表面的SiO2競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)降低SiO2護(hù)層形成的可能，從而達(dá)不到很好的穩(wěn)定效果。如圖3所示，SiO2護(hù)層的形成本可以降低陶瓷顆粒之間的范德華力，同時(shí)也使包裹在SiO2中的Al2O3顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，提升分散穩(wěn)定性。    

Figure 3 Demonstrating the formation of the Si02 sheath around the Al203 particles, resulting in the stable dispersion of the dual ceramic slurry.

4.       小結(jié)

本文證明了通過(guò)改變預(yù)混雙重陶瓷材料的順序，在水溶液中不需要功能性添加劑即可實(shí)現(xiàn)提高陶瓷漿料的分散穩(wěn)定性的作用。使得鋰電池制造流程更加環(huán)境友好，并且對(duì)鋰電池用陶瓷涂覆隔膜的后續(xù)一系列品質(zhì)的提高提供了良好基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)載自LUM儀器

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