Die Stabilität und Dispergierbarkeit von Batterieschlamm haben einen wichtigen Einfluss auf die Eigenschaften von Elektroden und fertigen Batterieprodukten. Wie lässt sich also die Stabilität und Dispergierbarkeit von Batterieschlamm charakterisieren?
Methode zur Charakterisierung der Stabilität von Batterieschlamm
1. Solid-Content-Methode
Die Feststoffgehaltstestmethode ist eine kostengünstige und einfach zu testende Methode. Das Prinzip besteht darin, die Gülle in einen Behälter zu geben und in regelmäßigen Abständen am selben Ort Proben zu entnehmen, um den Feststoffgehalt zu testen und zu analysieren. Durch die Beurteilung des Unterschieds im Feststoffgehalt kann die Stabilität der Lithiumbatterieaufschlämmung beurteilt werden, um festzustellen, ob es zu Sedimentation, Schichtung und anderen Phänomenen kommt.
2. Viskositätsmethode
Auch die Viskositätstestmethode kann grundsätzlich die Stabilität der Aufschlämmung widerspiegeln. Das Prinzip besteht darin, die Aufschlämmung in einen Behälter zu geben und in regelmäßigen Abständen die Viskosität zu testen. Die Stabilität der Aufschlämmung kann anhand der Viskositätsänderung beurteilt werden.
3. Stabilitätsanalysator
Der Einsatz eines Stabilitätsanalysators kann mit Daten sprechen. Beispielsweise haben Sung et al. verwendeten einen Stabilitätsanalysator, um die Lichtdurchlässigkeitsänderungen verschiedener pH-Aufschlämmungen mit PAA als Bindemittel innerhalb von 12 Stunden zu überwachen. Die anfängliche Lichtdurchlässigkeit und die 12-Stunden-Änderungswerte der neutralen Aufschlämmung waren kleiner. Da Rußmaterialien über eine Lichtabsorption verfügen, weist eine geringere Lichtdurchlässigkeit auf eine bessere Verteilung der Rußpartikel hin, und kleinere Mikroagglomerate weisen größere spezifische Oberflächen auf, wodurch die Lichtabsorptionseffizienz verbessert wird. Gleichzeitig zeigt die geringe Änderung der Lichtdurchlässigkeit der Aufschlämmung innerhalb von 12 Stunden, dass die Aufschlämmung während des statischen Prozesses eine gute Dispersionsstabilität aufweist, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
4. Charakterisierung des Zeta-Potenzials
Das Zetapotenzial bezieht sich auf das Potenzial der Scherebene, auch bekannt als elektrokinetisches Potenzial oder elektromotorische Kraft, und ist ein wichtiger Indikator zur Charakterisierung der Stabilität kolloidaler Dispersionen. Je kleiner die Moleküle oder dispergierten Partikel sind, desto höher ist der Absolutwert des Zeta-Potentials (positiv oder negativ) und desto stabiler ist das System, d. h. die Auflösung oder Dispersion kann einer Aggregation widerstehen. Umgekehrt gilt: Je niedriger das Zeta-Potenzial (positiv oder negativ) ist, desto stärker neigt es zur Koagulation oder Aggregation, d. h. die Anziehung übersteigt die Abstoßung, die Dispersion wird zerstört und es kommt zur Koagulation oder Aggregation.
Charakterisierungsmethode für die Dispersion von Batterieschlamm
1. Feinheit
Die Feinheit ist ein wichtiger Leistungsindikator von Batterieschlamm, der Informationen wie die Partikelgröße und Dispersion der Schlämme widerspiegeln kann. Anhand des Feinheitswerts lässt sich erkennen, ob die Partikel in der Aufschlämmung dispergiert sind und ob die Agglomerate desagglomeriert sind.
2. Membranimpedanz
Lithiumbatterieschlamm ist ein Fest-Flüssigkeits-Mischsystem, das durch Dispergieren von aktiven Elektrodenmaterialien und leitfähigen Stoffen in einer Bindemittellösung entsteht. Nach dem Prinzip des Vier-Sonden-Membranimpedanztests wird die Impedanz der Schlammmembran getestet. Der Verteilungszustand des leitfähigen Mittels in der Aufschlämmung kann anhand des spezifischen Widerstands quantitativ analysiert werden, um den Dispersionseffekt der Aufschlämmung zu beurteilen. Der spezifische Testprozess ist: Verwenden Sie einen Filmapplikator, um die Aufschlämmung gleichmäßig auf den Isolierfilm aufzutragen, erhitzen und trocknen Sie ihn dann, messen Sie die Dicke der Beschichtung nach dem Trocknen, schneiden Sie die Probe und die Größe erfüllt die unendlichen Anforderungen. Verwenden Sie abschließend vier Sonden, um die Impedanz der Elektrodenmembran zu messen und den spezifischen Widerstand basierend auf der Dicke zu berechnen.
3. Rasterelektronenmikroskopie/Energiespektrumanalyse/Kryoelektronenmikroskopie
Rasterelektronenmikroskopie (REM) kann verwendet werden, um die Morphologie von Batterieschlamm direkt zu beobachten und mit der Energiespektrumanalyse (EDS) zusammenzuarbeiten, um die Dispersion jeder Komponente zu analysieren. Allerdings kann es bei der Probenvorbereitung durch das Trocknen der Aufschlämmung während dieses Prozesses zu einer Umverteilung der eigenen Bestandteile kommen. Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-SEM) kann den ursprünglichen Verteilungszustand der Schlammbestandteile aufrechterhalten und wird daher seit kurzem bei der Analyse der Schlammeigenschaften eingesetzt.
4. Elektroden-CT-Bildgebung
Mithilfe der Elektroden-CT-Bildgebung kann der Dispersionszustand von Partikeln in der Elektrode direkt beobachtet werden. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, sind in der Elektrode in Abbildung a mehr große Partikel agglomeriert, in Abbildung b sind die agglomerierten Partikel in der Elektrode deutlich reduziert und in Abbildung c sind in der Elektrode fast keine agglomerierten großen Partikel vorhanden.
5. Laserbeugungsmesstechnik
Die Laserbeugungsmesstechnik nutzt die Fresnel-Streuungstheorie und die Fraunhofer-Theorie, um Partikelgröße und -verteilung zu ermitteln. Der auf dieser Technologie basierende Laser-Partikelgrößenanalysator zeichnet sich durch eine hohe Messgenauigkeit, gute Wiederholbarkeit und kurze Messzeit aus. Es wird häufig in Batteriefabriken eingesetzt, um die Partikelgröße von Schlamm in Batterien zu testen.
6. Analysemethode der elektrochemischen Impedanzspektroskopie
Wang et al. verwendeten die elektrochemische Impedanzspektroskopie-Analysemethode (EIS), um das Impedanzspektrum der flüssigen Aufschlämmung direkt zu analysieren und die elektrochemischen Eigenschaften der Aufschlämmung bei verschiedenen Partikelkonzentrationen zu ermitteln. Und durch die Ergebnisse der Impedanzspektrumanpassung wurde eine Bewertungsmethode für die interne Partikelverteilungsstruktur der Elektrodenaufschlämmung basierend auf dem Parameter-Ersatzschaltbildmodell etabliert, die eine neue Idee für die Online-Messung und Online-Bewertung der internen ungleichmäßigen Struktur lieferte des Lithium-Ionen-Batterieschlamms. Das EIS-Testprinzip ist in der Abbildung dargestellt.
Methoden zur Charakterisierung der Stabilität und Dispergierbarkeit der Aufschlämmung
1. Rheometer
(1) Viskoelastizitätstest
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″und je größer der Unterschied, desto besser ist die Stabilität der Aufschlämmung. Wie in der Abbildung unten gezeigt, ist die Stabilität von natürlichem Graphitschlamm besser als die von synthetischem Graphitschlamm.
(2) Änderungen der Viskosität mit der Schergeschwindigkeit
Die Viskosität einer Aufschlämmung ändert sich normalerweise mit der Schergeschwindigkeit. Wenn Scherverdünnungsverhalten vorliegt, gibt es in der Aufschlämmung weiche Agglomerate, die durch Scherbeanspruchung leicht zerstört werden. Im Gegenteil weist das Vorhandensein einer Scherverdickung normalerweise darauf hin, dass die Aufschlämmung harte aggregierte Partikel enthält. Im Allgemeinen weisen Aufschlämmungen mit schnelleren Scherverdünnungsraten tendenziell eine bessere Dispergierbarkeit auf, wobei die Zerstörung des Bindemittels durch Scherkräfte außer Acht gelassen wird. Wie in der Abbildung unten gezeigt, weist die durch den Hohlkreis dargestellte Aufschlämmung eine bessere Dispergierbarkeit auf als die beiden anderen Aufschlämmungen.
(3) Rendite-Stresstest
Die Fließspannung in der Rheologie ist definiert als die angelegte Spannung, bei der erstmals eine irreversible plastische Verformung an der Probe beobachtet wird. Theoretisch ist die Fließspannung die Mindestspannung, die zum Einleiten des Fließens erforderlich ist. Die Ertragsanalyse ist für alle komplex strukturierten Flüssigkeiten wichtig. Es hilft, die Produktleistung besser zu verstehen, wie z. B. Haltbarkeit und Stabilität gegen Sedimentation oder Phasentrennung. Zur Bestimmung der Fließspannung stehen verschiedene rheologische Methoden zur Verfügung. Die folgende Abbildung zeigt die Fließspannungsanalyse mit der Scherfluss-Rampen-Down-Methode. Aus den Testergebnissen ist ersichtlich, dass bei moderaten Schergeschwindigkeiten die Scherspannung mit abnehmender Schergeschwindigkeit abnimmt. Wenn die Schergeschwindigkeit jedoch weiter reduziert wird, erreicht die Spannungskurve ein stabiles Niveau und ist unabhängig von der Geschwindigkeit. Dieser stabile Spannungswert wird Fließgrenze genannt. Gleichzeitig wird die gemessene Kurve der „scheinbaren Viskosität“ unendlich und weist eine lineare Beziehung zur Scherrate auf, wenn die Steigung -1 beträgt.
Da synthetischer Graphit eine größere Partikelgröße und eine unregelmäßigere Partikelform aufweist, weist die Aufschlämmung eine geringere Fließspannung und eine schwächere Netzwerkstruktur auf. Daher ist diese synthetische Graphitaufschlämmungsprobe anfälliger für Sedimentation und Phasentrennung. Schlammsedimentation kann zu einer ungleichmäßigen Verteilung der aktiven Materialien auf der Elektrode führen und dadurch die Batterieleistung verringern.
(4) Thixotropie
Nach dem Beschichten nivelliert sich die Batterieschlämme unter der Wirkung der Schwerkraft und der Oberflächenspannung am Stromkollektor. Im Bereich niedriger Scherraten hofft man, dass die Viskosität vor dem Beschichten allmählich auf die hohe Viskosität zurückkehrt. Bevor die Viskosität wieder hoch ist, ist die Viskosität der Aufschlämmung noch relativ niedrig, lässt sich leicht nivellieren und die Beschichtungsoberfläche ist glatt und gleichmäßig dick. Die Erholungszeit sollte nicht zu lang oder zu kurz sein. Wenn die Erholungszeit zu lang ist, ist die Viskosität der Aufschlämmung während des Egalisierungsprozesses zu niedrig und es kann leicht zu Rückständen kommen oder die Dicke der Unterkante ist größer als die Dicke der oberen Beschichtung. Wenn die Zeit zu kurz ist, hat die Gülle keine Zeit, sich zu nivellieren.
2. Schlammwiderstandsmessgerät
Der Widerstandsparameter der Aufschlämmung steht in erheblichem Zusammenhang mit der Aufschlämmungsformel, der Art und dem Gehalt des leitfähigen Mittels, der Art und dem Gehalt des Bindemittels usw. Nachdem die Aufschlämmung gerührt und eine Zeit lang stehen gelassen wurde, kann es zur Sedimentation des Gels kommen auftreten, und auch der Widerstandswert weist unterschiedliche Änderungsgrade auf. Daher kann der spezifische Widerstand der Aufschlämmung als Methode zur Charakterisierung der Gleichmäßigkeit und Stabilität der elektrischen Eigenschaften der Aufschlämmung verwendet werden.
Testmethode:Geben Sie eine bestimmte Menge Gülle (ca. 80 ml) in den Messbecher aus Glas, setzen Sie einen sauberen Elektrodenstift ein, starten Sie die Software, testen Sie die Änderung des spezifischen Widerstands der Gülle an drei Elektrodenpaaren über die Zeit und speichern Sie sie im Dokument.
Testparameter:Widerstand, Temperatur, Zeit
Berechnungsformel:Spezifischer Widerstand (Ω*cm):Ρe=U/I * S/L
Merkmale:
1. Trennen Sie die Spannungs- und Stromleitungen, eliminieren Sie den Einfluss der Induktivität auf die Spannungsmessung und verbessern Sie die Genauigkeit der Widerstandserkennung.
2. Die Scheibenelektrode mit 10 mm Durchmesser gewährleistet eine relativ große Kontaktfläche mit der Probe und reduziert den Testfehler.
3. Die Änderung des spezifischen Widerstands an drei Positionen in vertikaler Richtung der Aufschlämmung im Laufe der Zeit kann in Echtzeit überwacht werden.
Messbereich des spezifischen Widerstands:2,5 Ω*cm ~ 50 MΩ*cm
Genauigkeit der Widerstandsmessung:±0.5%
