Stabilitas dan dispersibilitas bubur baterai mempunyai dampak penting pada sifat elektroda dan produk jadi baterai. Jadi bagaimana cara mengkarakterisasi stabilitas dan dispersibilitas bubur baterai?
Metode karakterisasi stabilitas bubur baterai
1. Metode konten padat
Metode pengujian isi padat adalah metode yang berbiaya rendah dan mudah untuk diuji. Prinsipnya adalah menempatkan slurry dalam wadah dan mengambil sampel di lokasi yang sama secara berkala untuk menguji dan menganalisis kandungan padatnya. Dengan menilai perbedaan kandungan padatan, kestabilan slurry baterai lithium dapat dinilai dengan melihat apakah terdapat sedimentasi, stratifikasi dan fenomena lainnya.
2. Metode viskositas
Metode uji viskositas pada dasarnya juga dapat mencerminkan stabilitas bubur. Prinsipnya adalah menempatkan slurry dalam wadah dan menguji kekentalannya secara berkala. Stabilitas bubur dapat dinilai dari perubahan viskositasnya.
3. Penganalisis Stabilitas
Penggunaan penganalisis stabilitas dapat berbicara dengan data. Misalnya, Sung dkk. menggunakan penganalisis stabilitas untuk memantau perubahan transmisi cahaya dari bubur pH yang berbeda menggunakan PAA sebagai pengikat dalam waktu 12 jam. Nilai transmisi cahaya awal dan perubahan 12-jam dari bubur netral lebih kecil. Karena bahan karbon hitam memiliki penyerapan cahaya, transmisi cahaya yang lebih rendah menunjukkan dispersi partikel karbon hitam yang lebih baik, dan mikro-aglomerasi yang lebih kecil memiliki luas permukaan spesifik yang lebih besar, sehingga meningkatkan efisiensi penyerapan cahaya. Pada saat yang sama, perubahan kecil pada transmisi cahaya slurry dalam waktu 12 jam menunjukkan bahwa slurry memiliki stabilitas dispersi yang baik selama proses statis, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.
4. Karakterisasi potensi Zeta
Potensi Zeta mengacu pada potensi Bidang Geser, juga dikenal sebagai potensial elektrokinetik atau gaya gerak listrik, dan merupakan indikator penting untuk mengkarakterisasi stabilitas dispersi koloid. Semakin kecil molekul atau partikel terdispersi, semakin tinggi nilai absolut potensial Zeta (positif atau negatif), dan semakin stabil sistemnya, yaitu pelarutan atau dispersi dapat menahan agregasi. Sebaliknya, semakin rendah potensi Zeta (positif atau negatif), semakin cenderung menggumpal atau beragregasi, yaitu gaya tarik-menarik melebihi gaya tolak-menolak, dispersi hancur dan terjadi koagulasi atau agregasi.
Metode karakterisasi dispersi bubur baterai
1. Kehalusan
Kehalusan merupakan indikator kinerja penting dari bubur baterai, yang dapat mencerminkan informasi seperti ukuran partikel dan dispersi bubur. Nilai kehalusan dapat digunakan untuk memahami apakah partikel-partikel dalam bubur terdispersi dan apakah aglomerat terdeaglomerasi.
2. Impedansi membran
Bubur baterai lithium adalah sistem campuran padat-cair yang dibentuk dengan mendispersikan bahan aktif elektroda dan bahan konduktif dalam larutan pengikat. Menurut prinsip uji impedansi membran empat probe, impedansi membran bubur diuji. Keadaan distribusi zat konduktif dalam bubur dapat dianalisis secara kuantitatif melalui resistivitas untuk menilai efek dispersi bubur. Proses pengujian spesifiknya adalah: gunakan aplikator film untuk melapisi bubur secara merata pada film isolasi, kemudian memanaskan dan mengeringkannya, mengukur ketebalan lapisan setelah pengeringan, memotong sampel, dan ukurannya memenuhi persyaratan tak terbatas. Terakhir, gunakan empat probe untuk mengukur impedansi membran elektroda dan menghitung resistivitas berdasarkan ketebalannya.
3. Pemindaian mikroskop elektron/analisis spektrum energi/mikroskop cryo-elektron
Pemindaian mikroskop elektron (SEM) dapat digunakan untuk mengamati langsung morfologi bubur baterai, dan bekerja sama dengan analisis spektrum energi (EDS) untuk menganalisis dispersi setiap komponen. Namun, saat menyiapkan sampel, pengeringan bubur selama proses ini dapat menyebabkan redistribusi komponennya sendiri. Mikroskop krio-elektron (Cryo-SEM) dapat mempertahankan keadaan distribusi asli komponen bubur, sehingga baru-baru ini mulai digunakan dalam analisis properti bubur.
4. Pencitraan CT elektroda
Pencitraan CT elektroda dapat secara langsung mengamati keadaan dispersi partikel di elektroda. Seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut, terdapat lebih banyak partikel besar yang diaglomerasi di elektroda pada Gambar a, partikel yang diaglomerasi di elektroda pada Gambar b berkurang secara signifikan, dan hampir tidak ada partikel besar yang diaglomerasi di elektroda pada Gambar c.
5. Teknologi pengukuran difraksi laser
Teknologi pengukuran difraksi laser menggunakan teori hamburan Fresnel dan teori Fraunhofer untuk mendapatkan ukuran dan distribusi partikel. Penganalisis ukuran partikel laser berdasarkan teknologi ini memiliki akurasi pengukuran yang tinggi, kemampuan pengulangan yang baik, dan waktu pengukuran yang singkat. Telah banyak digunakan di pabrik baterai untuk menguji ukuran partikel bubur dalam baterai.
6. Metode analisis spektroskopi impedansi elektrokimia
Misalnya, Wang dkk. menggunakan metode analisis spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) untuk menganalisis secara langsung spektrum impedansi bubur cair dan memperoleh karakteristik elektrokimia bubur pada konsentrasi partikel yang berbeda. Dan melalui hasil pemasangan spektrum impedansi, metode evaluasi struktur distribusi partikel internal bubur elektroda berdasarkan model rangkaian ekuivalen parameter ditetapkan, yang memberikan ide baru untuk pengukuran online dan evaluasi online struktur tidak seragam internal dari bubur baterai lithium-ion. Prinsip pengujian EIS ditunjukkan pada gambar.
Metode untuk mengkarakterisasi stabilitas dan dispersibilitas bubur
1. Reometer
(1) Uji viskoelastisitas
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″dan semakin besar perbedaannya, semakin baik stabilitas buburnya. Seperti terlihat pada gambar di bawah, kestabilan bubur grafit alam lebih baik dibandingkan dengan bubur grafit sintetik.
(2) Perubahan viskositas dengan laju geser
Viskositas bubur biasanya berubah seiring dengan laju geser. Ketika terjadi perilaku penjarangan geser, terdapat aglomerat lunak di dalam bubur yang mudah dihancurkan oleh tegangan geser. Sebaliknya, adanya penebalan geser biasanya menunjukkan adanya partikel agregat keras di dalam bubur. Secara umum, slurry dengan laju penipisan geser yang lebih cepat cenderung memiliki dispersibilitas yang lebih baik, mengabaikan penghancuran bahan pengikat akibat gaya geser. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, slurry yang diwakili oleh lingkaran berongga memiliki dispersibilitas yang lebih baik dibandingkan dua slurry lainnya.
(3) Uji stres hasil
Tegangan luluh dalam reologi didefinisikan sebagai tegangan yang diterapkan dimana deformasi plastis ireversibel pertama kali diamati pada sampel. Secara teoritis, tegangan luluh adalah tegangan minimum yang diperlukan untuk memulai aliran. Analisis hasil penting untuk semua fluida berstruktur kompleks. Hal ini membantu untuk lebih memahami kinerja produk, seperti umur simpan dan stabilitas terhadap sedimentasi atau pemisahan fasa. Ada berbagai metode reologi yang dapat digunakan untuk menentukan tegangan luluh. Gambar di bawah menunjukkan analisis tegangan luluh dengan metode shear flow ramp-down. Dari hasil pengujian terlihat bahwa pada laju geser sedang, tegangan geser menurun seiring dengan menurunnya laju geser. Namun, ketika laju geser semakin dikurangi, kurva tegangan mencapai tingkat yang stabil dan tidak bergantung pada laju tersebut. Nilai tegangan yang stabil ini disebut dengan titik luluh. Pada saat yang sama, kurva "viskositas semu" yang diukur menjadi tak terbatas dan memiliki hubungan linier dengan laju geser ketika kemiringannya adalah -1.
Karena grafit sintetik memiliki ukuran partikel yang lebih besar dan bentuk partikel yang lebih tidak beraturan, bubur menunjukkan tegangan luluh yang lebih rendah dan struktur jaringan yang lebih lemah. Oleh karena itu, sampel bubur grafit sintetik ini akan lebih rentan terhadap sedimentasi dan pemisahan fasa. Sedimentasi lumpur dapat menyebabkan distribusi bahan aktif pada elektroda tidak merata, sehingga menurunkan kinerja baterai.
(4) Tiksotropi
Setelah pelapisan, bubur baterai akan rata di bawah pengaruh gravitasi dan tegangan permukaan pada pengumpul arus. Pada rentang laju geser yang rendah, diharapkan viskositas secara bertahap akan kembali ke viskositas tinggi sebelum pelapisan. Sebelum kembali ke viskositas tinggi, viskositas slurry masih relatif rendah, mudah diratakan, dan permukaan lapisan halus serta ketebalannya seragam. Waktu pemulihan tidak boleh terlalu lama atau terlalu pendek. Jika waktu pemulihan terlalu lama, viskositas slurry akan terlalu rendah selama proses perataan, dan mudah terjadi tailing atau ketebalan tepi bawah lebih tinggi dari ketebalan lapisan atas. Jika waktunya terlalu singkat, slurry tidak akan punya waktu untuk meratakan.
2. Pengukur ketahanan bubur
Parameter resistivitas bubur memiliki korelasi yang signifikan dengan formula bubur, jenis dan kandungan bahan penghantar, jenis dan kandungan bahan pengikat, dll. Setelah bubur diaduk dan didiamkan selama beberapa waktu, sedimentasi gel dapat terjadi. terjadi, dan nilai resistivitas juga akan menunjukkan derajat perubahan yang berbeda-beda. Oleh karena itu, resistivitas bubur dapat digunakan sebagai metode untuk mengkarakterisasi keseragaman dan stabilitas sifat listrik bubur.
Metode pengujian:masukkan volume bubur tertentu (sekitar 80mL) ke dalam gelas ukur, masukkan pena elektroda bersih, mulai perangkat lunak, uji perubahan resistivitas bubur pada tiga pasang elektroda dari waktu ke waktu dan simpan ke dokumen.
Parameter pengujian:resistivitas, suhu, waktu
Rumus perhitungan:Resistivitas (Ω*cm):Ρe=U/I * S/L
Fitur:
1. Pisahkan saluran tegangan dan arus, hilangkan pengaruh induktansi pada pengukuran tegangan, dan tingkatkan akurasi deteksi resistivitas.
2. Elektroda disk berdiameter 10mm memastikan area kontak yang relatif besar dengan sampel dan mengurangi kesalahan pengujian.
3. Perubahan resistivitas pada tiga posisi dalam arah vertikal slurry dari waktu ke waktu dapat dipantau secara real time.
Rentang pengukuran resistivitas:2,5Ω*cm~50MΩ*cm
Akurasi pengukuran resistivitas:±0.5%
