使用Biolin张力仪评估锂离子电池的润湿性

通过润湿性测量提高锂离子电池的性能和安全性

锂离子电池是智能手机和笔记本电脑等移动设备的主要储能技术。最近对插电式混合动力汽车和电动汽车的需求增加，引发了关于锂离子电池技术是否足以满足大众市场全面电气化的讨论。

润湿性已被公认是影响锂离子电池性能和制造成本的关键因素之一。材料的润湿性通常用光学或力学张力仪来研究。这两种方法都被用于研究锂离子电池材料的润湿性。

锂离子电池有几个润湿性起作用的界面

在锂离子电池中有多个液体和固体接触的界面，所有这些界面都对电池的性能起着重要作用。

锂离子电池由多孔的正极和负极组成，正极和负极中充满了电解质溶液，并由隔膜分隔开。负极一侧包括一个电流集流器，它是铜和电极浆料，电极浆料是活性物质(石墨)、溶剂、粘合剂和添加剂的复杂混合物。其中有多个固液界面。在电极浆料中，石墨颗粒与液相接触。在电流集流器(铜)上涂覆上述浆料，形成铜与上述浆料之间的界面。正极一侧在浆料中含有典型的锂金属氧化物颗粒，浆料与充当电流收集器的铝接触。隔膜是阳极和阴极之间的物理屏障。所有组件，阳极，阴极和隔膜都与电解液接触，电解液通常是有机溶剂中的锂盐。

阴极和阳极决定电池的性能，而电解液和隔膜负责电池的安全。

材料之间良好的润湿性是锂离子电池工作的要求。

用于研究锂离子电池材料的张力仪测量

为了研究固体和液体之间的润湿性，通常使用光学和力学张力仪。有了张力仪，就可以测量液体的表面张力，也可以研究固体和液体之间的相互作用。

用表面张力和Washburn方法测量优化电极浆料

电极浆料是由活性物质、导电添加剂、聚合物粘结剂和溶剂组成的复杂混合物。浆料中活性物质颗粒的润湿是至关重要的，因为润湿性差会导致颗粒分散不均匀。

浆料的表面张力影响电流集流器的润湿能力。过高的表面张力会导致浆液的扩散不均匀以及膜厚增加。

案例研究：表面处理时间对碳粉润湿性的影响

为了研究表面处理时间对碳粉润湿性的影响，采用了力学张力仪中的Washburn方法。测量方法是将碳粉装入底部有孔的容器中。底部放置滤纸用来防止粉末从容器中逸出。容器挂在一个灵敏的天平上，然后放低到液体中，这样容器的底部就浸入到液体中(见图6)。吸收的质量和时间的函数关系由天平记录下来。为了确定接触角，首先对完全湿润的液体(如正庚烷)进行测量，然后对感兴趣的液体(在本例中为水)进行测量[1]。

样品：表面处理水平不同的碳粉。

方法：采用Washburn法测定不同表面处理次数后碳粉和水的接触角

测量结果显示(图3)，碳粉和水接触角相对表面处理时间的函数明显减小。

电流集流器涂层

电极浆料涂在电流集流器上，集流器是铜(阳极)或铝(阴极)。浆料在集流器上的充分扩散和粘附对锂离子电池的性能优化至关重要。浆料和集流器之间的接触角可以用光学张力仪的座滴法或力学表面张力仪的Wilhelmy板法测量。

压延

压延是锂离子电池电极常见的压实工艺。压延的目的是减少电极的孔隙率，并因此改善颗粒接触，从而提高电池的能量密度。压延将显著影响孔隙结构，从而影响电极的润湿性[1]。压延还会影响电极的表面纹理，这在评估电极的润湿性时需要考虑。压延对电极润湿性的影响可以通过用力学表面张力仪测定润湿速率来研究[2]。测量基于Washburn方法[3]，将多孔样品浸入液体中，并使用高灵敏度天平进行记录吸入的质量，以时间作为函数。光学张力仪计为研究电极的润湿性提供了另一种工具。

案例研究：未压缩和压缩电极的接触角测量

为了研究压延工艺对润湿性的影响，利用Theta Flow光学张力仪测量了接触角。

固体样品：镀在铝箔上的锂镍钴铝氧化物(NCA)(未压缩和压缩)

液体：碳酸二甲酯溶剂(DMC)

测量结果清楚地表明(图4)，压延增加了碳酸二甲酯溶剂和电极的接触角。这表明，随着压延，电极的润湿性降低，这可能会导致随后填充电解质出现问题。

隔膜润湿性

隔膜是电池的关键部件，放置在正极和负极之间。它可以物理阻碍两个电极之间的接触以防止电池短路，同时又允许锂离子流动。隔膜一直被认为是电池的非活性部件，但其性能对电池的性能和安全至关重要。

隔膜是放在极性相反的电极之间的多孔膜。多年来，已经使用了各种不同材料的隔膜，但现在的商业隔膜通常由聚烯烃制成，如聚乙烯或聚丙烯。

电解质的润湿性是锂离子电池隔膜的关键特性，因为电解质的吸附对离子传输至关重要。聚合物隔膜材料本身是疏水性的，对传统的有机电解质的润湿性不足。人们考虑了不同的方法来提高隔膜材料的润湿性。这些包括不同类型的涂层，例如静电纺丝[1]或原子层沉积(ALD)[2]和复合隔膜的制造[3]。

案例研究：聚合物和陶瓷隔膜的润湿性

为了研究隔膜材料对润湿性的影响，用Theta Flow光学张力仪测量了接触角。

固体样品：聚合物和陶瓷隔膜

液体：碳酸二甲酯溶剂(DMC)

测试结果表明，陶瓷隔膜的润湿性略好于聚合物隔膜，表明陶瓷隔膜的性能更好。

加速电解液填充

电极材料与电解质溶液的润湿性是开发高性能锂离子电池所面临的挑战之一。

从小型电池到电动汽车的大规模应用，对电池制造提出了重大挑战。制造的关键步骤之一是通过精密的泵将电解质溶液添加到多孔电极中。在此步骤中，电解液应渗透并填充电极的孔隙中。

这个过程被称为润湿过程，由于电极的润湿性差，扩散距离长，并且由于气体被困在孔隙中而阻碍扩散，因此在高温下可能需要数天时间。漫长的加工过程会增加制造时间，同时也会增加制造成本。

电解质吸入量可以用力学表面张力仪测量，类似于电极浆料优化的测量(图6)。在做电解质吸入测量时，电极材料浸入到电解质溶液中。电极材料剪切成矩形的电极片，可以很容易地挂到天平挂钩上。将电解液放入样品容器中，使电极与之接触。测量吸入的质量，以时间作为函数。

结论

润湿性测量是确保锂离子电池性能优化、制造和安全的关键。Biolin光学和力学张力仪为锂离子电池的研究和开发提供了高效的测量工具。

关键的是张力仪可以提供电极浆料的表面张力，以优化涂层和干燥过程。使用光学或力学张力仪测量浆料的表面张力，较低的表面张力导致较好的表面润湿。

电极材料的润湿性，最大限度地提高电极与浆料之间的粘附性。使用光学张力仪测量电极材料与浆料之间的接触角。较低的接触角表明较好的润湿性，以及较好的附着力。

压延对电极润湿性的影响，使用光学张力仪测量未压缩和压缩电极与电解质的接触角。

评估电解液的吸收以加速填充过程，使用力学张力仪监测电解液吸入电极材料的情况。

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