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-之雙重陶瓷材料的混合順序對陶瓷漿料穩定性的影響

隔膜性能決定了電池的內阻和界面結構,進而決定了電池容量、安全性能、充放電密度和循環性能等特性。因此需滿足如下一些特性1、好的化學穩定性一耐有機溶劑;2、機械性能良好一拉伸強度高,穿刺強度高;3、良好的熱穩定性一熱收縮率低，較髙的破膜溫度;4、電解液浸潤性一與電解液相容性好,吸液率高。 

陶瓷涂覆特種隔膜特別適用于動力電池，它是以PP,PE或者多層復合隔膜為基體,表面涂覆一層納米級三氧化二鋁材料,經過特殊工藝處理,和基體粘接緊密，顯著提高鋰離子電池的耐髙溫性能和安全性。

為了盡量減少在制造陶瓷涂覆隔膜時使用易燃、有毒、昂貴和非環境有機溶劑，目前人們開始廣泛使用水性陶瓷漿料，但水性陶瓷漿料的主要問題是分散穩定性差。在前幾篇應用文章里，我們介紹了表面活性劑濃度以及粉體，聚合物粘結劑，表面活性劑三者的添加順序對水性陶瓷漿料的穩定性的影響。

然而，在這種情況下，為了保持涂層質量，仍然需要使用穩定劑和潤濕增強劑等功能性添加劑，或者對聚烯烴隔膜的表面進行改性，使其具有親水性。這些功能添加劑在鋰電池中起著雜質的作用，可能影響鋰電池的電化學性能。且隔膜的表面處理增加了工序數，從而降低了制造工藝的效率，增加了生產成本，在經濟上是不利的。

新的研究發現結合兩種不同電極性和晶粒尺寸的陶瓷可以產生協同效應，使得在不需要使用分散穩定劑的情況下即可提高水性陶瓷漿料的分散穩定性。同樣地，不同組分地加入和混合順序也影響了雙重陶瓷水性漿料的穩定性。

1.       測試原理

Fig1 Test Principle

使用近紅外光源（或多光源系統）不斷照射整個樣品，在樣品離心加速分離的同時，與光源平行的檢測器隨時間連續監測并反應樣品的透光率變化，從而形成樣品在分離過程的空間和時間透光率圖譜。通過配套的分析軟件，既可定性分析樣品詳細的失穩過程，又可對樣品間的不穩定性指數，界面分層，顆粒遷移速度，粒度和分布等進行定量分析和比較。

2.       樣品和測試條件

2.1.                      樣品材料：水溶性高分子聚合物粘結劑羧甲基纖維素鈉(CMC), Al2O3 (D50=430nm), SiO2(D50=12nm), 去離子水。 

2.2.                      樣品制備：將以上材料按照比例（Al2O3/Si02/CMC/去離子水＝35/4/1/60 w/w/w/w），先用磁棒在25℃下以450rpm的速度不斷攪拌混合物12小時，然后使用TRILOS混料脫泡機在25℃下攪拌5分鐘。按照圖1所示，改變混合順序以期研究該工藝對雙重陶瓷水性漿料穩定性的影響。

Figure 1 Mixing sequences for the preparation of aqueous dual ceramic coating slurries containing SiO2 and Al203

2.3.                      測試條件：LUMiSizer610，NIR870nm，25℃，2500rpm，10000s

3.       測試結果    

Figure 2 Instability index of aqueous dual ceramic coating slurries containing SiO2 and Al203, prepared according to the different mixing sequences and determined using Lumisizer ( b ) as a function of centrifugation time and ( c ) at a 1000 s centrifugation time

圖2展示了在該測試條件下，不同組分的順和順序對雙重陶瓷水性漿料穩定性的影響。不穩定性指數排序為seq.B＞seq.C＞seq.A。這表明，在引入CMC聚合物粘合劑之前，將兩種陶瓷(Al2O3和SiO2)預混在一起，陶瓷漿料的分散穩定性最好。如果是先加入CMC聚合物粘合劑，由于CMC聚合物粘合劑表現出類似于SiO2的負zeta電位，當CMC聚合物粘結劑遇到具有正zeta電位的Al2O3時，它們與Al2O3表面的SiO2競爭，會降低SiO2護層形成的可能，從而達不到很好的穩定效果。如圖3所示，SiO2護層的形成本可以降低陶瓷顆粒之間的范德華力，同時也使包裹在SiO2中的Al2O3顆粒之間產生靜電斥力，提升分散穩定性。    

Figure 3 Demonstrating the formation of the Si02 sheath around the Al203 particles, resulting in the stable dispersion of the dual ceramic slurry.

4.       小結

本文證明了通過改變預混雙重陶瓷材料的順序，在水溶液中不需要功能性添加劑即可實現提高陶瓷漿料的分散穩定性的作用。使得鋰電池制造流程更加環境友好，并且對鋰電池用陶瓷涂覆隔膜的后續一系列品質的提高提供了良好基礎。

轉載自LUM儀器

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