Brookfield粘度计在锂离子电池浆料的流变特性研究
锂离子电池
与传统的二次电池如铅酸电池、Ni/Cd电池等相比,在比功率、能量密度及充放电性能方面有着明显的优势,锂离子电池还有着循环寿命长、自放电率低、绿色环保等优点。
在锂离子电池的生产研发过程中,正负极片的性能对于电池性能影响巨大。而其中正负极材料特性和相关的加工工艺是最为重要的影响因素。相关电池浆料的流变性能直接影响浆料的存储、涂布工艺。
电池浆料的流变特性与储存稳定性和涂布性能关系密切。在储存过程中,低剪切速率范围内的剪切粘度越大,浆料就越稳定。可以通过一定剪切速率下,粘度随时间的变化关系表征电池浆料的沉降性能。
涂布过程是高剪切速率过程,在集流体上涂布后,浆料的平流过程又是低剪切速率过程。所以电池浆料在高剪切速率范围下剪切粘度不能太高,如果粘度过大,则会造成涂布困难;在涂布后集流体上的浆料在重力和表面张力的作用下平流,在低剪切速率范围,希望粘度逐渐恢复到涂布之前的高粘度。
在还没有完全恢复到高粘度之前,浆料的粘度还比较小,容易平流,涂层表面光滑厚度均匀。恢复的时间不能太长,也不能太短。恢复时间太长,浆料在平流过程中粘度太小,容易出现拖尾或者下边缘比上面的涂层厚度高的现象。如果时间太短,浆料平流时间不够。
通过DV3T、SSA描绘粘度-时间流变曲线表征浆料的储存稳定性
电池浆料在储存过程中,浆料中的颗粒只受到重力的作用,剪切速率非常低,通常的剪切速率范围是 -。在储存过程中,粘度越大,浆料就越稳定。BROOKFIELD博勒飞 DV3T配合SSA可以通过描绘在恒定低剪切速率下浆料的粘度随时间的变化关系来表征电池浆料的沉降性能。
图1是负极电池浆料在低剪切速率 0.1下的剪切粘度随时间的变化关系。可以看出,负极浆料的剪切粘度随储存时间增加而减小,说明负极浆料在缓慢沉降。
羧甲基纤维素钠(CMC)是电池浆料配方中的常用助剂,主要起增稠的作用,用于悬浮固体颗粒,阻止沉降,提供存储稳定性。羧甲基纤维素钠(CMC)溶液需要在低剪切速率范围内具有高粘度,有助于悬浮固体颗粒,降低颗粒的沉降速率。但是在高剪切速率范围下,需要有较小的剪切粘度,便于涂布。
图2是3%浓度的羧甲基纤维素钠(CMC)溶液的剪切粘度曲线,可以看出,羧甲基纤维素钠(CMC)溶液具有剪切变稀行为。
电池浆料流变特性对涂布工艺的影响
电池浆料的涂布过程是高剪切速率过程,在集流体上涂布后,浆料的平流过程又是低剪切速率过程。所以电池浆料在高剪切速率范围下剪切粘度不能太高,如果粘度过大,会造成涂布困难;
在涂布后,浆料会在集流体上的重力和表面张力的作用下平流,在低剪切速率范围,希望粘度逐渐恢复到涂布之前的高粘度。在还没有完全恢复到高粘度之前,浆料的粘度还比较小,容易平流,涂层表面光滑厚度均匀。
恢复的时间不能太长,也不能太短。恢复时间太长,浆料平流过程中年度太小,容易出现拖尾或者下边缘的厚度比上面的涂层厚度高的现象。如果时间太短,浆料平流时间不足。这个过程可以分为三个阶段,三个剪切速率下粘度的变化来表征。
测试方法,BROOKFIELD博勒飞DV3T流变仪配合SSA利用单机编程功能,设置三个步骤,第一步:剪切速率0.1,测试时间60s,模拟浆料在涂布前的剪切粘度;第二步,剪切速率100,测试时间60s,模拟涂布过程的高剪切速率过程,此时剪切粘度会急剧降低;第三步,剪切速率0.1,模拟涂布后浆料粘度的恢复情况。
· 测量粘度和屈服应力的一体化工具
· 连续感应和显示的高级流变仪
· 7英寸全彩色触屏显示
· 加强型安全控制:自定义用户使用权限、日期和时间标记文件、密码锁定功能便携式登录设置
· 分析屈服应力、流变曲线(混合、泵送、喷涂)流平和恢复等特性指标
· 可单机编程:输入数据,指定温度,开始运行程序,在内置显示屏上浏览结果
· 利用RheocalcT软件实现用电脑对整个流变测试过程的控制
· 2600种转速,可用于很宽范围的流变分析
· 单机模式操作时也可以使用内建的数学模型进行数据处理和分析
·精度:测量范围的±1%
· 重现性:±0.2%
锂离子电池浆料的旋转粘度计测定仪选型及测试方法参考
锂离子电池浆料是由活性物质(正负极材料)、黏结剂、导电剂等,通过搅拌的方式均匀分散于溶剂中制备而成的。粘度是影响锂离子电池浆料的重要因素之一,它不但影响浆料的流动性能,而且黏度的一致性和高低同样会影响后序涂布的均匀性和涂布效率。粘度过高或过低都是不利于极片涂布的,粘度高的浆料不容易沉淀且分散性会好一点,但是过高的粘度不利于流平效果,不利于涂布;粘度过低也是不好的,粘度低时虽然浆料流动性好,但干燥困难,降低了涂布的干燥效率,还会发生涂层龟裂、浆料颗粒团聚、面密度一致性不好等问题。
电池浆料粘度范围2000-10000mPa.s,是参考指标,主要根据两点确定:1 浆料沉降情况;2 实际涂布效果,不同涂布机可能有不同的最佳粘度范围,当然活性物质类型、粘结剂体系也会有影响。
电极浆料需要具有稳定且恰当的粘度,这是电池生产过程中保证电池一致性的一个重要指标。随着合浆结束,搅拌停止,浆料会出现沉降、絮凝聚并等现象,产生大颗粒,这会对后续的涂布等工序造成较大的影响。表征浆料稳定性的主要参数有流动性、粘度、固含量、密度等。目前主要说明和讨论浆料的粘度的相关检测方法及配置及一般浆料的粘度范围。
不同的浆料体系具有不同的粘度变化规律,目前主流的浆料体系是正极浆料PVDF/NMP油性体系,负极浆料是石墨/CMC/SBR水性体系。根据经验来说,正极油性为4000-5500cP,负极水性2500到4000cP是一个对于稳定性及涂布效果的一个比较佳的范围。那么对于这种浆料的粘度计应该如何选择及如何测量呢?
电极浆料是一种是由多种不同比重、不同粒度的原料组成,又是固-液相混合分散,形成的浆料属于非牛顿流体。非牛顿液体的粘度除了与温度有关外,还与剪切速率、时间有关,并有剪切变稀或剪切变稠的变化。对于电池浆料粘度范围2000-10000mPa.s,一般目前锂电新能源行业业界有2种的最常见的配置及参数设置:
1、Brookfield RVDV2T/RVDV3T连续感应粘度计
2、2Brookfield Rheocalc 32控制分析软件
3、Brookfield TC-550MX/550AP(带编程)
制冷恒温水浴
转子选择1: 3号转子,10rpm, 测量时间 90s, 恒温25.0±0.5°C
扭矩:一般在30-90%
转子选择2: 5号转子,30rpm, 测量时间 60s, 恒温25.0±0.5°C
(备注:因为粘度是相对值及非牛顿流体,必须上下游比较数据及内部监控,必须统一机型及测试条件,否则结果的参考价值不高。)
BROOKFIELD粘度计/流变仪使用方便、灵活性大、质量稳定可靠、精确度高以及完善的售后服务,使BROOKFIELD粘度计/流变仪得到了全世界广大用户的喜爱和拥护。所有BROOKFIELD粘度计的精确度都在使用范围内的±1.0%,重现性为±0.2%。对于DV-1M 以上的机型都是连续感应的,只要使用相同机型和相同测试方法,无论在世界什么地方,都可以得到一样的结果。
众所周知,当制备电芯的正负极浆料的粘度由于种种原因造成低于1000cP时,会对极片的面密度造成很大的影响,而且还会影响其制成的电池的性能,如果粘度在小于500cP,正负极浆料将会报废。而正负极材料价格昂贵,一旦报废,给企业造成损失难以估量。
其中美国BROOKFIELD DV-2T 作为全球最受欢迎的多功能触摸屏连续感应的粘度计,通过Rheocalc 32 控制分析软件测量时间与粘度的变化曲线,长时间监控粘度变化的实验可直接表征浆料的长期稳定性,另外在锂离子电池浆料制备的整个过程中实时监控浆料粘度的变化,出现异常及时调整配方及操作条件,检查环境及原料品质的变化,为锂电池行业的浆料稳定性测试及节约生产成本,保证良品率保驾护航。