چگونه دوغاب الکترود باتری لیتیوم{0} یونی را ارزیابی کنیم؟

در تولید باتری لیتیوم{0}یون، آماده سازی دوغاب اولین فرآیند است. مناسب بودن دوغاب پس از اختلاط مستقیماً روی پوشش بعدی و عملکرد نهایی باتری تأثیر می گذارد و یک شاخص مهم برای هزینه باتری است. بنابراین، آماده‌سازی دوغاب نقش اصلی را در تولید باتری‌های لیتیوم{3}} ایفا می‌کند. تحقیقات نشان می‌دهد که توزیع ذرات میکروسکوپی ایده‌آل یک الکترود باتری لیتیوم- با پراکندگی یکنواخت مواد فعال بدون تجمع، و پراکندگی لایه نازک- ذرات عامل رسانا که یک شبکه رسانا را تشکیل می‌دهند مشخص می‌شود. باتری‌های لیتیوم{8} یون ساخته شده از الکترودهایی با توزیع ذرات یکنواخت عملکرد الکتروشیمیایی عالی و طول عمر طولانی دارند. بنابراین، جریان‌پذیری، پایداری و یکنواختی دوغاب‌های باتری‌های یونی لیتیوم معمولاً برای ارزیابی مناسب بودن آنها برای فرآیندهای پوشش‌دهی بعدی و سهم آنها در عملکرد مواد فعال باتری، آزمایش و مشخص می‌شوند.

در تولید باتری لیتیوم{0}یون، آماده سازی دوغاب اولین فرآیند است. مناسب بودن دوغاب پس از اختلاط مستقیماً روی پوشش بعدی و عملکرد نهایی باتری تأثیر می گذارد و یک شاخص مهم برای هزینه باتری است. بنابراین، آماده‌سازی دوغاب نقش اصلی را در تولید باتری‌های لیتیوم{3}} ایفا می‌کند. مطالعات نشان داده اند که توزیع ریز ذرات ایده آل الکترودهای باتری لیتیوم{5} یون با پراکندگی یکنواخت مواد فعال بدون تجمع، و پراکندگی لایه نازک- ذرات عامل رسانا که یک شبکه رسانا را تشکیل می دهند مشخص می شود. باتری‌های لیتیوم{8} یون ساخته شده از الکترودهایی با توزیع ذرات یکنواخت عملکرد الکتروشیمیایی عالی و طول عمر طولانی دارند. بنابراین، روان‌پذیری، پایداری و یکنواختی دوغاب‌های باتری‌های یونی لیتیوم{10}}معمولاً برای ارزیابی مناسب بودن آنها برای فرآیندهای پوشش‌دهی بعدی و اثربخشی آنها در افزایش عملکرد مواد فعال باتری، آزمایش و مشخص می‌شوند.

دوغاب های الکترود، سیالات غیر نیوتنی هستند و دو نوع وجود دارد: دوغاب الکترود مثبت و دوغاب الکترود منفی، که به دو دسته سیستم های-روی پایه و آب{2}} طبقه بندی می شوند. دوغاب هم زده باید دارای جریان پذیری، پایداری و یکنواختی خوبی باشد. حالت های دوغاب با جریان پذیری متفاوت در شکل نشان داده شده است. ویسکوزیته بسیار کم یا زیاد، رسوب، تجمع و پراکندگی ناهموار می تواند به طور قابل توجهی بر فرآیندهای پوشش دهی بعدی تأثیر بگذارد و باعث ایجاد نقص در ظاهر ماکروسکوپی الکترود و ناهماهنگی در ریزساختار آن شود. برخلاف الزامات دوغاب در صنایع کاغذسازی و پوشش‌دهی سنتی، یکنواختی و پایداری دوغاب باتری لیتیومی در نهایت بر عملکرد الکتریکی باتری تأثیر می‌گذارد و منجر به مجموعه‌ای از مشکلات مانند کاهش ولتاژ، کاهش عمر چرخه و ثبات ضعیف باتری می‌شود. بنابراین، شناسایی و آزمایش صحیح دوغاب قبل از پوشش برای تعیین مناسب بودن آن برای پردازش بسیار مهم است.

هنگامی که یک مایع جریان می یابد، اصطکاک داخلی بین مولکول ها رخ می دهد. این خاصیت ویسکوزیته نامیده می شود که به صورت عددی اندازه گیری می شود.

ویسکوزیته=تنش برشی / نرخ برشی

رابطه عملکردی بین سرعت برشی و تنش برشی منحنی رئولوژیکی نامیده می‌شود که معمولاً برای توصیف تغییر ویسکوزیته دوغاب (سیال) با ویژگی‌های برشی استفاده می‌شود. منحنی های رئولوژیکی را می توان برای تشخیص انواع سیال استفاده کرد. برای سیالات نیوتنی، رابطه بین تنش برشی و نرخ برشی در منحنی رئولوژیکی یک خط مستقیم است که از مبدا می گذرد.

در تولید،ویسکومتر چرخشی دیجیتالو رئومترها معمولاً برای اندازه گیری ویسکوزیته و منحنی های رئولوژیکی استفاده می شوند. کارکرد ویسکومترها ساده است، در حالی که رئومترها می‌توانند دامنه وسیع‌تر و منحنی‌های ویسکوزیته{1}} نرخ برش/تنش جامع‌تر را اندازه‌گیری کنند و نتایج دقیق‌تری ارائه دهند. دوغاب باتری، به عنوان سیالات غیر نیوتنی، خواص رئولوژیکی مختلفی از جمله نازک شدن برشی، ویسکوالاستیسیته و تیکسوتروپی از خود نشان می دهند.

بیشتر دوغاب های الکترود یون لیتیوم{0}} ویژگی های نازک شدن برشی را نشان می دهند. همانطور که در شکل نشان داده شده است، ویسکوزیته برشی با افزایش نرخ برش کاهش می یابد. این ویژگی در دوغاب هایی با محتوای جامد بالا بیشتر مشخص می شود. در نرخ های برشی بالاتر، نیروهای برشی قوی ساختار شبکه تشکیل شده بین مواد را مختل می کند و باعث می شود که ذرات به ساختار منظم تر موازی با میدان برشی بازآرایی شوند و در نتیجه ویسکوزیته کاهش یافته و با نرخ برش بالاتر به فلات نیوتنی می رسند.

این ویژگی غیر نیوتنی در فرآیند پوشش آماده سازی الکترود سودمند است. قبل از استفاده ازدستگاه پوشش الکترود، دوغاب توسط پمپ پیچی از مخزن انتقال به محفظه پوشش منتقل می شود. در طی این فرآیند، دوغاب تحت نیروی برشی کم قرار می گیرد و برای حفظ پایداری خود در حالت ویسکوزیته بالا باقی می ماند. هنگامی که دوغاب به طور آنی از لبه سر پوشش خارج می شود، در معرض نرخ برشی بالایی قرار می گیرد، در این مرحله ویسکوزیته دوغاب کاهش می یابد و جریان صاف را تضمین می کند. پس از انتقال دوغاب به کلکتور جریان، سرعت برش کاهش می یابد و در حالت ویسکوزیته بالا باقی می ماند. این می تواند از رسوب ذرات در زمانی که دوغاب ساکن است یا در طول فرآیند خشک کردن جلوگیری کرده یا کاهش دهد و از ضخامت پوشش ثابت اطمینان حاصل کند.

ویسکوالاستیسیته همچنین یک استاندارد مرجع مهم برای ارزیابی خواص دوغاب است. این رابطه بین ویسکوزیته (مایع) و الاستیسیته (جامد) دوغاب را نشان می دهد. به زبان ساده، مشخص می کند که دوغاب بیشتر شبیه مایع است یا جامد. اگر دوغاب باتری لیتیومی فقط چسبناک باشد و خاصیت ارتجاعی نداشته باشد، رشته های شدیدی در حین پوشش رخ می دهد و در نتیجه عملکرد پوشش ضعیفی دارد. بنابراین، دوغاب باتری لیتیومی علاوه بر ویسکوزیته، باید دارای درجه خاصی از خاصیت ارتجاعی باشد، که به رشته های شکسته اجازه می دهد تا به سرعت در حین پوشش بازگردند و پوشش یکنواخت را تضمین کنند. اگر دوغاب خاصیت ارتجاعی بسیار بالایی داشته باشد یا اصلاً ویسکوزیته نداشته باشد، نشان دهنده تجمع شدید یا ساختاری جامد-می باشد که پوشش دهی را غیرممکن می کند.

ویسکوالاستیسیته به طور کلی با استفاده از رئومتر اندازه گیری می شود. نیروهای برشی ارتعاشی با دامنه کوچک، مانند اسکن دامنه و اسکن فرکانس، برای اندازه گیری ویسکوالاستیسیته دوغاب اعمال می شود.

نرخ برشی به طور مداوم از صفر به یک مقدار ثابت افزایش می یابد و تنش برشی مربوطه در طی این فرآیند ثبت می شود. سپس سرعت برشی به تدریج به صفر کاهش می یابد و مقدار تنش برشی مربوطه ثبت می شود. منحنی بسته نرخ برش در مقابل تنش برشی را می توان رسم کرد. این منحنی حلقه نرمال تیکسوتروپیک نامیده می شود. هرچه مساحت حلقه معمولی بزرگتر باشد، عملکرد تیکسوتروپیک بیشتر است و بالعکس.

ویسکوزیته یک عامل مهم در ارزیابی پایداری دوغاب باتری لیتیوم-یون است. هر دو ویسکوزیته بسیار زیاد و کم برای پوشش مضر هستند. دوغاب با ویسکوزیته بالا کمتر مستعد ته نشین شدن هستند و قابلیت پخش بهتری دارند، اما ویسکوزیته بیش از حد بالا منجر به تراز ضعیف می شود و پوشش دهی را دشوار می کند و سرعت پوشش را کاهش می دهد. کاهش مناسب ویسکوزیته به بهبود کارایی پوشش کمک می کند. ویسکوزیته کمتر جریان دوغاب خوبی را فراهم می کند و به حذف حباب های هوا کمک می کند، اما ویسکوزیته بسیار کم منجر به مشکلات خشک شدن می شود، سرعت پوشش را کاهش می دهد، پوشش ناهموار را تشدید می کند و ممکن است باعث ترک خوردگی پوشش و تجمع دوغاب شود.

در حین تولید، به خصوص پس از اینکه دوغاب برای مدتی ایستاده است، ویسکوزیته اغلب به سه طریق تغییر می کند: افزایش ویسکوزیته، کاهش ویسکوزیته و موارد خاص.

(1) افزایش ویسکوزیته:پس از ایستادن طولانی مدت، کلوئید از حالت سل به حالت ژل تغییر می کند و باعث افزایش ویسکوزیته دوغاب می شود. هم زدن آهسته دوغاب باعث بازیابی ویسکوزیته می شود.

(2) کاهش ویسکوزیته:ویسکوزیته زمانی که بایندر رطوبت را جذب کرده و دچار تغییرات کیفی، تغییرات ساختاری در حین هم زدن یا تخریب می شود، کاهش می یابد. هم زدن طولانی مدت، سرعت هم زدن بیش از حد سریع، و پراکندگی ناهموار دوغاب در طول همگن شدن، همگی می توانند منجر به کاهش ویسکوزیته شوند. افزودن تثبیت کننده های دوغاب، پراکنده کننده ها یا سورفکتانت ها می تواند پایداری دوغاب را از طریق اصول دفع بار و مانع فضایی بهبود بخشد. علاوه بر این، تمام اجزاء باید قبل از همگن شدن کاملاً خشک شوند.

(3) موارد خاص:مواد فعال ممکن است در حین ذخیره‌سازی رطوبت را جذب کنند یا در محیط‌های{0}}با رطوبت بالا هم زده شوند، که باعث می‌شود PVDF رطوبت را جذب کند و دوغابی «ژله‌ای-شبیه شود. وقتی دوغاب قوام خاصی مانند ژله-از خود نشان می‌دهد، غیرقابل استفاده است. در این حالت، دوغاب مشکل ساز را می توان خشک کرد، بایندر و NCM را تبخیر و جدا کرد، سپس الک کرد، آسیاب کرد و به نسبت به دوغاب معمولی مخلوط کرد. سپس می توان از آن بدون تأثیر بر عملکرد باتری استفاده کرد. بنابراین، موثرترین روش پیشگیری، خشک کردن کامل مواد قبل از همگن شدن، اندازه گیری میزان رطوبت و کنترل شدید رطوبت در طول همگن سازی است.

درصد مواد جامد مانند مواد فعال، عوامل رسانا و چسباننده در جرم کل دوغاب، محتوای جامد دوغاب نامیده می شود. به طور کلی، محتوای جامد در محدوده 40٪ تا 70٪ است. روش اصلی برای آزمایش محتوای جامد روش خشک کردن است. دوغاب را با جرم M وزن کرده و در دمای معینی قرار می دهیم تا حلال خشک شود و دوباره با جرم m وزن می کنیم. سپس محتوای جامد به صورت m=M/M محاسبه می‌شود. برای اندازه گیری سریع و نسبتاً دقیق محتوای جامد دوغاب می توان از رطوبت سنج استفاده کرد. رطوبت سنج از اصل کاهش وزن حرارتی استفاده می کند. نمونه را به طور یکنواخت با یک لامپ هالوژن گرم می کند تا حلال تبخیر شود و مقدار جامد را با تغییر جرم قبل و بعد از حرارت دادن محاسبه می کند.

در فرآیند همگن سازی و فرمولاسیون یکسان، هرچه محتوای جامد دوغاب بیشتر باشد، ویسکوزیته آن نیز بیشتر می شود. به طور مشابه، هر چه محتوای جامد کمتر باشد، ویسکوزیته کمتر است. در محدوده تعریف شده برای محتوای جامد، مقدار بالاتر نشان دهنده پایداری بالاتر دوغاب است. افزایش محتوای جامد می تواند مصرف حلال را کاهش دهد، زمان اختلاط دوغاب را کوتاه کند و کارایی پوشش و خشک کردن را بهبود بخشد. با این حال، با افزایش محتوای جامد، ویسکوزیته افزایش می‌یابد، سیالیت کاهش می‌یابد، مشکل پوشش افزایش می‌یابد و باعث سایش شدیدتر تجهیزات می‌شود.

اکنون تماس بگیرید