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漿料配方與電阻率的關(guān)聯(lián)性探究

元能科技 2024-05-16 | 閱讀：1493

鋰電正負(fù)極漿料是由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑分散于溶劑中形成的固液兩相混合體系。理想的電極漿料應(yīng)該滿足以下要求：（1）活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒團聚體盡可能分散；（2）打開導(dǎo)電劑長鏈，進一步分散鏈狀導(dǎo)電劑；（3）形成最合適的活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑彼此之間的排布方式；（4）維持漿料最優(yōu)懸浮結(jié)構(gòu)和成分穩(wěn)定性，防止沉降和團聚等成分偏析。其中，漿料的均勻性和穩(wěn)定性極大地影響了電芯的一致性及電化學(xué)性能。如果固體顆粒在溶劑中分散不均或者快速沉降，則不能形成良好的電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這將極大的影響其電性能發(fā)揮。

鋰離子電池極片設(shè)計中，導(dǎo)電劑形成的三維網(wǎng)絡(luò)將活性顆粒連接起來，這是電子傳輸?shù)闹饕窂健６?，活性物質(zhì)，特別是正極材料的電子電導(dǎo)率很低時也需要導(dǎo)電劑促進電子傳導(dǎo)。因此，鋰離子電池設(shè)計時我們應(yīng)根據(jù)不同的活性物質(zhì)材料、不同目的(改善倍率性能、循環(huán)性能、提高不可逆比容量)而選取與之相匹配的導(dǎo)電劑。導(dǎo)電劑的材料、形貌、粒徑、攪拌順序、添加量與不同類型導(dǎo)電劑的復(fù)合狀態(tài)都對鋰離子電池有著不同方面的影響。另外，導(dǎo)電劑的分布狀態(tài)也很關(guān)鍵，漿料中導(dǎo)電劑可能分布狀態(tài)如圖1所示：（1）導(dǎo)電劑團聚在一起，沒有分散開；（2）導(dǎo)電劑均勻分散，但是單獨懸浮在漿料中，沒有和活性材料導(dǎo)電劑緊密結(jié)合；（3）漿料中的導(dǎo)電劑理想分布狀態(tài)：導(dǎo)電劑均勻分散，在活性物質(zhì)顆粒表面形成導(dǎo)電薄層；導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)顆粒表面緊密接觸，使電子能夠有效參與脫/嵌鋰反應(yīng)；導(dǎo)電劑之間相互連通導(dǎo)電，與每一個活性物質(zhì)顆粒形成電子通路。

圖1. 漿料中導(dǎo)電劑分布狀態(tài)

對漿料的電阻率進行測量，可以在漿料層級評估其顆粒的分散性及導(dǎo)電性。目前導(dǎo)電劑對導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的模型研究較多，而用電阻率定量分析漿料性能卻比較少見。本文通過調(diào)控漿料固含量，分析固含量、電阻率、黏度之前的關(guān)系，同時也通過改變電流-電壓曲線驗證了正負(fù)極漿料的導(dǎo)電類型。

1測試方法

1.1 測試設(shè)備：采用BSR2300（IEST-元能科技）表征不同固含量和黏度的正負(fù)極漿料電阻率。

圖2. BSR2300外觀圖

1.2 漿料配比：

表1. 漿料配比

2測試結(jié)果

按表1配方分別配置不同固含量正負(fù)極漿料，分別測試黏度和電阻率，如表2所示，正負(fù)極漿料都隨著固含量的增加而黏度不斷增大，同時電阻率不斷減小。

表2. 正負(fù)極漿料固含量&黏度&電阻率

當(dāng)LCO固含量大于50%后，黏度急劇升高，這可能因為隨著固含量升高，單位體積內(nèi)鈷酸鋰顆粒占比不斷增大，大密度的鈷酸鋰顆粒碰撞會加劇體系內(nèi)顆粒之間的相互作用力，導(dǎo)致黏度增加，而急劇增大點則為顆粒間作用力急劇變化的閥值點。當(dāng)石墨固含量35%以下時，隨著固含量增加電阻率加速減小，當(dāng)固含量大于35%后，電阻率隨固含量變化較緩，這是因為隨著固含量增大，越來越多的顆粒構(gòu)建了有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)達到閥值后導(dǎo)電性不在顯著增加。

圖3. 正負(fù)極漿料電阻率與黏度隨固含量變化趨勢

為進一步研究鋰電正負(fù)極漿料體系中導(dǎo)電方式，設(shè)計I-V實驗加以驗證，如圖4所示。對鈷酸鋰漿料和石墨漿料分別施加0.001mA、0.0015mA、0.002mA、0.0025mA、0.003mA電流，并采集電壓信號。圖4顯示電流電壓線性關(guān)系明顯，基本復(fù)合歐姆定律，說明鈷酸鋰正極漿料和石墨負(fù)極漿料的導(dǎo)電類型主要以電子電導(dǎo)為主，即電子通過顆粒間的接觸傳導(dǎo)到顆粒本身，進而構(gòu)建多維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性能。