為保證產品質量,嚴格進行質量控制是每個行業都需要遵照的守則。但有時候質控已經做足了,質量卻不一定如意,其中關鍵就在于檢測方法是否真的到位。
舉個例子,鋰離子電池的生產制造是由一個個工藝步驟嚴密聯絡起來的過程,其中對電池漿料的精密調理是提高電池綜合性能的關鍵。在這個過程中,除了正負極材料的顆粒尺寸形貌等指標外,通過高粘度攪拌工藝,使得漿料中導電劑較好地分散在主料的表面,均勻地包覆住主料,都是直接影響電池倍率性能的因素。
電極的漿料組成成分及作用
電極組成 | 正極材料 | 負極材料 |
主料 | 鋰鹽(如鈷酸鋰):為電池提供鋰源。 | 石墨:構成負極反應的主要物質。 |
導電劑 | 提高正極片的導電性,補償正極活性物質的電 子導電性;增加反應界面,減少極化。 | 提高負極片的導電性,補償負極活性物質的電子導電性; 提高反應深度及利用率;防止枝晶的產生;提高反應界 面,減少極化。 |
粘合劑 | PVDF:將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網粘合 在一起。 | 水性粘合劑:將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網粘 合在一起。 |
添加劑 |
| 降低不可逆反應,提高粘附力;提高漿料黏度,防止漿 料沉淀。 |
合漿后的漿料需要具有較好的穩定性,這是電池生產過程中保證電池一致性的一個重要指標。否則攪拌停止后,漿料就會出現沉降、絮凝聚并等現象,影響后續的涂布等工序。但該如何確認電池漿料是否穩定,并沒有那么簡單。
由于電池漿料是種由多種不同比重、不同粒度的原料組成,又是固-液相混合分散油狀的黑色流動液體,屬于非牛頓液體,因此除具有一般流體所具有的特征如粘性、流動性等,還具有一些自身特殊的性能,如流變性(流變性正是體現電池漿料分散效果是否良好的具體指標之一)。同時,電池漿料高度不透光的特點,也使得激光粒度分析儀在測定其中材料的顆粒尺寸時存在困難。
注:流變性是指物質在外力作用下的變形和流動性質。由于液體不能承受剪切力,因而不能保持其外形的穩定。在外力的作用下,液體就會發生流動和變形等的性質,稱為流變性。影響鋰離子電池漿料流變性的一些主要參數有:①分散相或固相的類型及表面電荷的大小;②固相的濃度;③固相顆位的大小、形狀以及粒徑的分布;④分散介質本身的粘度;⑤溫度和壓力;⑥漿料的pH值。
目前來說,監測漿料穩定性的最佳手段是用zeta電位探頭直接定時(定期)觀察漿料的平均粒度和zeta電位變化、監測團聚的發生,但我國在這一方面涉獵甚少,大部分企業都只能通過測粘度對漿料穩定性進行粗放的宏觀管理,而缺乏對漿料本身電學性質的研究和監測,極大地影響了鋰離子電池的成品率,導致成本無法下降,品質無法提高。
注:ZETA電位是指剪切面(Shear Plane)的電位,又叫電動電位或電動電勢,是表征膠體分散系穩定性的重要指標。分子或分散粒子越小,Zeta電位的絕對值(正或負)越高,體系越穩定,即溶解或分散可以抵抗聚集。反之,Zeta電位(正或負)越低,越傾向于凝結或凝聚,即吸引力超過了排斥力,分散被破壞而發生凝結或凝聚。
而在其他發達國家,為了精準地對鋰離子電池漿料及其穩定性進行質控,美國和日本鋰電企業都是通過超聲衰減/電聲學技術(ISO 20998/ISO13099)表征漿料中顆粒的大小、流變性質和電學性能——因為在可比較的范圍內,超聲衰減法和激光衍射法測得的顆粒粒度是一致的。
使用超聲衰減法來測驗顆粒粒度的好處在于,由于該法是利用超聲波在含有顆粒的連續相中傳播時,聲與顆粒的相互作用產生的聲吸收、耗散和散射所引起的損失效應來測量顆粒粒度及濃度,因此可以對原濃分散體系進行直接測量,無須像激光測量法那樣必須對樣品進行稀釋處理——稀釋后會破壞聚集或凝聚,無法真實有效地反應出原濃體系的粒徑分布信息。
既然有需求,那么掌握先進技術的科學儀器廠家自然不會錯過,比如說美國分散科技公司(DTI)就開發出了一款高度集成的DT-1202超聲粒度和zeta電位分析儀,不僅可以測定原濃體系黑色漿料的粒度分布和zeta電位(粒度范圍:5nm~1mm,體積濃度可達50%),適應高粘度樣品的測定(可達20,000 cP),而且可在一臺儀器上完成pH、溫度、電導率及流變性質的測定。
DT-1202超聲粒度和zeta電位分析儀
如果您對“超聲衰減/電聲學技術”這種可以讓研究人員在膠體科學研究中如虎添翼的手段感興趣的話,請千萬不要錯過于本月23日在珠海開幕的“2018全國粉體檢測與表面修飾技術創新論壇”。在本次技術交流會上,來自儀思奇(北京)科技發展有限公司的楊正紅總經理將帶來題為《原濃分散體系顆粒粒徑分布、ZETA電位及流變性測試》的報告,為我們細細剖析這種在高濃度、高粘度或有色膠體體系中的最佳測量手段的原理及應用!
報告人介紹:
楊正紅,1985年畢業于北京大學,師從著名化學家,我國生物無機化學學科的開拓者, 中科院院士王夔教授。留校任教至副研究員期間,主要從事自由基生命科學研究并擔任天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室儀器組組長,先后發表及合作發表論文三十余篇,獲得國家教委科技進步二等獎及北京市衛生局科技進步二等獎各一項。
1997年4月,被聘為瑞士華嘉公司分析儀器部產品專家,銷售經理,負責顆粒特性分析儀器的技術支持及銷售。2000年以來,有多篇顆粒特性分析的論文發表。2004年起,楊正紅先后被英國馬爾文儀器公司聘為市場部經理,北方區經理, 并同時擔任美國康塔儀器公司的中國區經理,北京代表處首席代表。2016年7月,楊正紅創建儀思奇(北京)科技發展有限公司,致力于國外最先進儀器分析技術的引入推廣和國產化先進儀器裝備的自主研發和產業化進程。
珠海論壇
作者:粉體圈
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