A estabilidade e a dispersibilidade da pasta de bateria têm um impacto importante nas propriedades dos eletrodos e dos produtos acabados da bateria. Então, como caracterizar a estabilidade e a dispersibilidade da pasta da bateria?
Método de caracterização da estabilidade da pasta da bateria
1. Método de conteúdo sólido
O método de teste de conteúdo sólido é um método de baixo custo e fácil de testar. Seu princípio é colocar a pasta em um recipiente e coletar amostras no mesmo local em intervalos regulares para testar e analisar o conteúdo sólido. Ao julgar a diferença no conteúdo sólido, a estabilidade da pasta da bateria de lítio pode ser avaliada para ver se há sedimentação, estratificação e outros fenômenos.
2. Método de viscosidade
O método de teste de viscosidade também pode refletir basicamente a estabilidade da pasta. Seu princípio é colocar a pasta em um recipiente e testar a viscosidade em intervalos regulares. A estabilidade da pasta pode ser avaliada pela mudança na viscosidade.
3. Analisador de Estabilidade
O uso do analisador de estabilidade pode falar com os dados. Por exemplo, Sung et al. usaram um analisador de estabilidade para monitorar as mudanças na transmitância de luz de diferentes pastas de pH usando PAA como aglutinante dentro de 12 horas. A transmitância de luz inicial e os valores de mudança de 12-hora da pasta neutra foram menores. Como os materiais de negro de fumo têm absorção de luz, uma transmitância de luz mais baixa indica melhor dispersão das partículas de negro de fumo, e microaglomerados menores têm áreas superficiais específicas maiores, melhorando assim a eficiência de absorção de luz. Ao mesmo tempo, a pequena mudança na transmitância de luz da pasta em 12 horas indica que a pasta tem boa estabilidade de dispersão durante o processo estático, conforme mostrado na figura abaixo.
4. Caracterização do potencial Zeta
O potencial Zeta refere-se ao potencial do Plano de Cisalhamento, também conhecido como potencial eletrocinético ou força eletromotriz, e é um importante indicador para caracterizar a estabilidade de dispersões coloidais. Quanto menores forem as moléculas ou partículas dispersas, maior será o valor absoluto do potencial Zeta (positivo ou negativo), e mais estável será o sistema, ou seja, a dissolução ou dispersão pode resistir à agregação. Por outro lado, quanto menor o potencial Zeta (positivo ou negativo), mais ele tende a coagular ou agregar, ou seja, a atração supera a repulsão, a dispersão é destruída e ocorre a coagulação ou agregação.
Método de caracterização de dispersão de lama de bateria
1. Finura
A finura é um importante indicador de desempenho da lama da bateria, que pode refletir informações como tamanho e dispersão das partículas da lama. O valor da finura pode ser usado para entender se as partículas na pasta estão dispersas e se os aglomerados estão desaglomerados.
2. Impedância da membrana
A pasta de bateria de lítio é um sistema misto sólido-líquido formado pela dispersão de materiais ativos de eletrodo e agentes condutores em uma solução aglutinante. De acordo com o princípio do teste de impedância da membrana de quatro sondas, a impedância da membrana pastosa é testada. O estado de distribuição do agente condutor na pasta pode ser analisado quantitativamente através da resistividade para avaliar o efeito de dispersão da pasta. O processo de teste específico é: use um aplicador de filme para revestir uniformemente a pasta no filme isolante, depois aqueça e seque, meça a espessura do revestimento após a secagem, corte a amostra e o tamanho atende aos requisitos infinitos. Finalmente, use quatro sondas para medir a impedância da membrana do eletrodo e calcular a resistividade com base na espessura.
3. Microscopia eletrônica de varredura/análise de espectro de energia/microscopia crioeletrônica
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) pode ser usada para observar diretamente a morfologia da pasta da bateria e cooperar com a análise do espectro de energia (EDS) para analisar a dispersão de cada componente. Porém, no preparo das amostras, a secagem da pasta durante esse processo pode causar a redistribuição dos seus próprios componentes. A microscopia crioeletrônica (Cryo-SEM) pode manter o estado de distribuição original dos componentes da pasta, por isso começou recentemente a ser usada na análise de propriedades da pasta.
4. Imagem de tomografia computadorizada com eletrodo
A imagem de TC do eletrodo pode observar diretamente o estado de dispersão das partículas no eletrodo. Conforme mostrado na figura a seguir, há mais partículas grandes aglomeradas no eletrodo da Figura a, as partículas aglomeradas no eletrodo da Figura b são significativamente reduzidas e quase não há partículas grandes aglomeradas no eletrodo da Figura c.
5. Tecnologia de medição por difração a laser
A tecnologia de medição por difração a laser usa a teoria de espalhamento de Fresnel e a teoria de Fraunhofer para obter tamanho e distribuição de partículas. O analisador de tamanho de partículas a laser baseado nesta tecnologia possui alta precisão de medição, boa repetibilidade e curto tempo de medição. Tem sido amplamente utilizado em fábricas de baterias para testar o tamanho das partículas da lama nas baterias.
6. Método de análise de espectroscopia de impedância eletroquímica
Por exemplo, Wang et al. utilizou o método de análise de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) para analisar diretamente o espectro de impedância da pasta líquida e obteve as características eletroquímicas da pasta em diferentes concentrações de partículas. E através dos resultados do ajuste do espectro de impedância, foi estabelecido um método de avaliação para a estrutura interna de distribuição de partículas da pasta de eletrodo com base no modelo de circuito equivalente de parâmetro, que forneceu uma nova ideia para a medição on-line e avaliação on-line da estrutura interna não uniforme da pasta da bateria de íons de lítio. O princípio do teste EIS é mostrado na figura.
Métodos para caracterizar a estabilidade e a dispersibilidade da pasta
1. Reômetro
(1) Teste de viscoelasticidade
The viscoelastic characteristics of the slurry are characterized by the relative valuesof the storage modulus (G′) and the loss modulus (G″). The storage modulus G′, also known as the elastic modulus, represents the capacity stored when the slurry undergoes reversible elastic deformation and is a measure of the elastic deformation of the slurry. The loss modulus G″, also known as the viscous modulus, represents the energy consumed when the slurry undergoes irreversible deformation and is a measure of the viscous deformation of the slurry. In the frequency scan, based on the relative size of G′and G″and evaluating the sensitivity of G′to the angular frequency, it is possible to reflect whether the slurry is in a fluid state or a solid-like state. In the low-frequency range, G′>G″e quanto maior a diferença, melhor será a estabilidade da pasta. Conforme mostrado na figura abaixo, a estabilidade da pasta de grafite natural é melhor do que a da pasta de grafite sintética.
(2) Mudanças na viscosidade com taxa de cisalhamento
A viscosidade de uma pasta geralmente muda com a taxa de cisalhamento. Quando existe comportamento de desbaste por cisalhamento, existem aglomerados moles na pasta que são facilmente destruídos pela tensão de cisalhamento. Pelo contrário, a presença de espessamento por cisalhamento geralmente indica que existem partículas agregadas duras na pasta. De modo geral, pastas com taxas de desbaste mais rápidas tendem a ter melhor dispersibilidade, ignorando a destruição do ligante pela força de cisalhamento. Conforme mostrado na figura abaixo, a pasta representada pelo círculo oco tem melhor dispersibilidade do que as outras duas pastas.
(3) Teste de estresse de rendimento
A tensão de escoamento em reologia é definida como a tensão aplicada na qual a deformação plástica irreversível é observada pela primeira vez na amostra. Teoricamente, a tensão de escoamento é a tensão mínima necessária para iniciar o fluxo. A análise de rendimento é importante para todos os fluidos estruturados complexos. Ajuda a compreender melhor o desempenho do produto, como prazo de validade e estabilidade contra sedimentação ou separação de fases. Há uma variedade de métodos reológicos que podem ser usados para determinar a tensão de escoamento. A figura abaixo mostra a análise da tensão de escoamento usando o método de redução do fluxo de cisalhamento. A partir dos resultados do teste, pode-se observar que em taxas de cisalhamento moderadas, a tensão de cisalhamento diminui à medida que a taxa de cisalhamento diminui. Contudo, quando a taxa de cisalhamento é ainda mais reduzida, a curva de tensão atinge um nível estável e é independente da taxa. Este valor de tensão estável é chamado de ponto de escoamento. Ao mesmo tempo, a curva de "viscosidade aparente" medida torna-se infinita e tem uma relação linear com a taxa de cisalhamento quando a inclinação é -1.
Como a grafite sintética tem um tamanho de partícula maior e um formato de partícula mais irregular, a pasta apresenta uma tensão de escoamento mais baixa e uma estrutura de rede mais fraca. Portanto, esta amostra de pasta de grafite sintética será mais suscetível à sedimentação e separação de fases. A sedimentação da lama pode levar à distribuição desigual de materiais ativos no eletrodo, reduzindo assim o desempenho da bateria.
(4) Tixotropia
Após o revestimento, a pasta da bateria será nivelada sob a ação da gravidade e da tensão superficial no coletor de corrente. Na faixa de baixa taxa de cisalhamento, espera-se que a viscosidade retorne gradualmente à alta viscosidade antes do revestimento. Antes de retornar à alta viscosidade, a viscosidade da pasta ainda é relativamente baixa, fácil de nivelar e a superfície do revestimento é lisa e de espessura uniforme. O tempo de recuperação não deve ser muito longo nem muito curto. Se o tempo de recuperação for muito longo, a viscosidade da pasta será muito baixa durante o processo de nivelamento, e é fácil haver rejeitos ou a espessura da borda inferior será maior que a espessura do revestimento superior. Se o tempo for muito curto, a pasta não terá tempo de nivelar.
2. Medidor de resistência à lama
O parâmetro de resistividade da pasta tem uma correlação significativa com a fórmula da pasta, o tipo e o conteúdo do agente condutor, o tipo e o conteúdo do aglutinante, etc. Depois que a pasta é agitada e deixada em repouso por um período de tempo, a sedimentação do gel pode ocorrer, e o valor da resistividade também mostrará diferentes graus de mudança. Portanto, a resistividade da pasta pode ser usada como um método para caracterizar a uniformidade e estabilidade das propriedades elétricas da pasta.
Método de teste:coloque um certo volume de pasta (cerca de 80mL) no copo de vidro medidor, insira uma caneta de eletrodo limpa, inicie o software, teste a mudança da resistividade da pasta em três pares de eletrodos ao longo do tempo e salve-a no documento.
Parâmetros de teste:resistividade, temperatura, tempo
Fórmula de cálculo:Resistividade (Ω*cm):Ρe=U/I * S/L
Características:
1. Separe as linhas de tensão e corrente, elimine a influência da indutância na medição de tensão e melhore a precisão da detecção de resistividade.
2. O eletrodo de disco de 10 mm de diâmetro garante uma área de contato relativamente grande com a amostra e reduz o erro de teste.
3. A mudança de resistividade em três posições na direção vertical da pasta ao longo do tempo pode ser monitorada em tempo real.
Faixa de medição de resistividade:2,5Ω*cm~50MΩ*cm
Precisão da medição de resistividade:±0.5%
