Bagaimana Mengevaluasi Bubur Elektroda Baterai Lithium-ion?

Dalam produksi baterai litium-ion, persiapan bubur adalah proses pertama. Kesesuaian bubur setelah pencampuran secara langsung mempengaruhi pelapisan selanjutnya dan kinerja akhir baterai, dan merupakan indikator penting dari biaya baterai. Oleh karena itu, persiapan bubur memainkan peran penting dalam pembuatan baterai litium-ion. Penelitian menunjukkan bahwa distribusi partikel mikroskopis yang ideal dari elektroda baterai litium-ion ditandai dengan dispersi seragam bahan aktif tanpa aglomerasi, dan dispersi lapisan tipis partikel zat konduktif yang membentuk jaringan konduktif. Baterai litium-ion yang terbuat dari elektroda dengan distribusi partikel seragam menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik dan masa pakai yang lama. Oleh karena itu, kemampuan mengalir, stabilitas, dan keseragaman bubur baterai litium-ion biasanya diuji dan dikarakterisasi untuk mengevaluasi kesesuaiannya untuk proses pelapisan selanjutnya dan kontribusinya terhadap kinerja bahan aktif baterai.

Dalam produksi baterai litium-ion, persiapan bubur adalah proses pertama. Kesesuaian bubur setelah pencampuran secara langsung mempengaruhi pelapisan selanjutnya dan kinerja akhir baterai, dan merupakan indikator penting dari biaya baterai. Oleh karena itu, persiapan bubur memainkan peran penting dalam pembuatan baterai litium-ion. Penelitian telah menunjukkan bahwa distribusi mikropartikel ideal elektroda baterai litium-ion ditandai dengan dispersi seragam bahan aktif tanpa aglomerasi, dan dispersi lapisan tipis partikel zat konduktif yang membentuk jaringan konduktif. Baterai litium-ion yang terbuat dari elektroda dengan distribusi partikel seragam menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik dan masa pakai yang lama. Oleh karena itu, kemampuan mengalir, stabilitas, dan keseragaman bubur baterai litium-ion biasanya diuji dan dikarakterisasi untuk mengevaluasi kesesuaiannya untuk proses pelapisan selanjutnya dan efektivitasnya dalam meningkatkan kinerja bahan aktif baterai.

Bubur elektroda adalah cairan non-Newtonian, dan ada dua jenis: bubur elektroda positif dan bubur elektroda negatif, yang diklasifikasikan ke dalam sistem berbasis-minyak dan-berbasis air. Bubur yang diaduk harus memiliki kemampuan mengalir, stabilitas, dan keseragaman yang baik. Keadaan bubur dengan kemampuan mengalir berbeda ditunjukkan pada gambar. Viskositas, sedimentasi, aglomerasi, dan dispersi yang tidak merata yang terlalu rendah atau tinggi dapat berdampak signifikan pada proses pelapisan selanjutnya, menyebabkan cacat pada tampilan makroskopis elektroda dan ketidakkonsistenan struktur mikronya. Berbeda dengan persyaratan bubur dalam industri pembuatan kertas dan pelapisan tradisional, keseragaman dan stabilitas bubur baterai litium pada akhirnya memengaruhi kinerja kelistrikan baterai, yang menyebabkan serangkaian masalah seperti penurunan tegangan, berkurangnya masa pakai baterai, dan konsistensi baterai yang buruk. Oleh karena itu, karakterisasi dan pengujian slurry yang tepat sebelum pelapisan untuk menentukan kesesuaiannya untuk pemrosesan sangatlah penting.

Ketika cairan mengalir, terjadi gesekan internal antar molekul; sifat ini disebut viskositas, diukur secara numerik.

Viskositas=Tegangan Geser / Laju Geser

Hubungan fungsional antara laju geser dan tegangan geser disebut kurva reologi, yang biasa digunakan untuk menggambarkan variasi viskositas bubur (fluida) dengan karakteristik geser. Kurva reologi dapat digunakan untuk membedakan jenis fluida. Untuk fluida Newtonian, hubungan antara tegangan geser dan laju geser pada kurva reologi berupa garis lurus yang melalui titik asal.

Dalam produksi,viskometer rotasi digitaldan rheometer biasanya digunakan untuk mengukur viskositas dan kurva reologi. Viskometer mudah dioperasikan, sedangkan rheometer dapat mengukur rentang yang lebih luas dan kurva laju geser/tekan viskositas yang lebih komprehensif, serta memberikan hasil yang lebih akurat. Bubur baterai, sebagai cairan non-Newtonian, menunjukkan berbagai sifat reologi, termasuk penipisan geser, viskoelastisitas, dan tiksotropi.

Kebanyakan bubur elektroda ion litium-memiliki karakteristik penipisan geser. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, viskositas geser menurun seiring dengan meningkatnya laju geser. Karakteristik ini lebih terlihat pada slurry dengan kandungan padatan tinggi. Pada laju geser yang lebih tinggi, gaya geser yang kuat mengganggu struktur jaringan yang terbentuk antar bahan, menyebabkan partikel tersusun ulang menjadi struktur yang lebih teratur sejajar dengan medan geser, mengakibatkan penurunan viskositas dan mencapai dataran tinggi Newton pada laju geser yang lebih tinggi.

Karakteristik non-Newtonian ini menguntungkan dalam proses pelapisan persiapan elektroda. Sebelum menggunakanmesin pelapis elektroda, bubur diangkut dari tangki transfer ke ruang pelapisan dengan pompa ulir. Selama proses ini, slurry dikenakan gaya geser yang rendah dan tetap dalam kondisi viskositas tinggi untuk menjaga stabilitasnya. Ketika slurry dikeluarkan secara instan dari bibir kepala pelapis, maka akan dikenakan laju geser yang tinggi, yang pada titik ini viskositas slurry menurun, sehingga menjamin kelancaran aliran. Setelah bubur dipindahkan ke pengumpul arus, laju geser menurun dan tetap dalam keadaan viskositas tinggi. Hal ini dapat mencegah atau mengurangi sedimentasi partikel ketika bubur tidak bergerak atau selama proses pengeringan, sehingga memastikan ketebalan lapisan yang konsisten.

Viskoelastisitas juga merupakan standar acuan penting untuk mengevaluasi sifat bubur. Ini menunjukkan hubungan antara viskositas (cair) dan elastisitas (padat) bubur; sederhananya, ini mencirikan apakah bubur itu lebih berbentuk cair atau padat. Jika bubur baterai litium hanya kental dan kurang elastis, akan terjadi ikatan yang parah selama pelapisan, sehingga mengakibatkan kinerja pelapisan yang buruk. Oleh karena itu, bubur baterai litium harus memiliki tingkat elastisitas tertentu selain viskositas, sehingga filamen yang rusak dapat pulih dengan cepat selama pelapisan dan memastikan pelapisan seragam. Jika bubur memiliki elastisitas yang sangat tinggi atau tidak memiliki viskositas sama sekali, hal ini menunjukkan adanya aglomerasi parah atau struktur seperti padat, sehingga pelapisan tidak mungkin dilakukan.

Viskoelastisitas umumnya diukur menggunakan rheometer. Gaya geser viskoelastisitas amplitudo kecil, seperti pemindaian amplitudo dan pemindaian frekuensi, diterapkan untuk mengukur viskoelastisitas bubur.

Laju geser terus ditingkatkan dari nol hingga nilai konstan, dan tegangan geser yang bersangkutan dicatat selama proses ini. Kemudian, laju geser secara bertahap diturunkan menjadi nol, dan nilai tegangan geser yang sesuai dicatat. Kurva tertutup antara laju geser versus tegangan geser dapat diplot; kurva ini disebut cincin normal tiksotropik. Semakin besar luas cincin normal maka kinerja tiksotropiknya semakin besar, begitu pula sebaliknya.

Viskositas adalah faktor penting dalam mengevaluasi stabilitas bubur baterai litium-ion. Viskositas yang terlalu tinggi dan rendah akan merusak lapisan. Sluri dengan-viskositas tinggi kurang rentan terhadap pengendapan dan memiliki dispersibilitas yang lebih baik, namun viskositas yang terlalu tinggi menyebabkan perataan yang buruk, sehingga mempersulit pelapisan dan mengurangi kecepatan pelapisan. Mengurangi viskositas secara tepat membantu meningkatkan efisiensi pelapisan. Viskositas yang lebih rendah memberikan kemampuan aliran bubur yang baik dan membantu menghilangkan gelembung udara, tetapi viskositas yang terlalu rendah menyebabkan kesulitan pengeringan, mengurangi kecepatan pelapisan, memperburuk lapisan yang tidak rata, dan dapat menyebabkan retaknya lapisan dan penggumpalan bubur.

Selama produksi, terutama setelah slurry didiamkan dalam jangka waktu tertentu, viskositas sering berubah, terutama dalam tiga cara: peningkatan viskositas, penurunan viskositas, dan kasus-kasus khusus.

(1) Peningkatan Viskositas:Setelah didiamkan dalam waktu lama, koloid berubah dari wujud sol menjadi gel, menyebabkan viskositas bubur meningkat. Mengaduk bubur secara perlahan akan mengembalikan kekentalannya.

(2) Pengurangan Viskositas:Viskositas menurun ketika pengikat menyerap kelembapan dan mengalami perubahan kualitatif, perubahan struktural selama pengadukan, atau degradasi. Pengadukan yang terlalu lama, kecepatan pengadukan yang terlalu cepat, dan dispersi bubur yang tidak merata selama homogenisasi semuanya dapat menyebabkan penurunan viskositas. Menambahkan stabilisator bubur, dispersan, atau surfaktan dapat meningkatkan stabilitas bubur melalui prinsip tolakan muatan dan hambatan sterik. Selain itu, semua komponen harus dikeringkan secara menyeluruh sebelum dihomogenisasi.

(3) Kasus Khusus:Bahan aktif dapat menyerap kelembapan selama penyimpanan atau diaduk di-lingkungan dengan kelembapan tinggi, menyebabkan PVDF menyerap kelembapan dan menghasilkan bubur-seperti jeli”. Jika bubur menunjukkan konsistensi seperti jeli-yang sangat jelas, maka bubur tersebut tidak dapat digunakan. Dalam hal ini, slurry yang bermasalah dapat dikeringkan, bahan pengikat dan NCM diuapkan dan dipisahkan, kemudian diayak, digiling, dan dicampur secara proporsional ke dalam slurry normal. Kemudian dapat digunakan tanpa mempengaruhi kinerja baterai. Oleh karena itu, metode pencegahan yang paling efektif adalah dengan mengeringkan bahan secara menyeluruh sebelum homogenisasi, mengukur kadar air, dan mengontrol kelembapan secara ketat selama homogenisasi.

Persentase zat padat seperti bahan aktif, bahan penghantar, dan bahan pengikat dalam massa total bubur disebut kandungan padat bubur. Umumnya kandungan padatnya berkisar antara 40% hingga 70%. Metode utama untuk menguji kandungan padat adalah metode pengeringan. Timbang bubur bermassa M, letakkan pada suhu tertentu untuk mengeringkan pelarut, lalu timbang kembali dengan massa m. Kandungan padat kemudian dihitung sebagai m=M/M. Pengukur kelembaban dapat digunakan untuk mengukur kandungan padat bubur dengan cepat dan relatif akurat. Pengukur kelembaban menggunakan prinsip penurunan berat termal; itu memanaskan sampel secara merata dengan lampu halogen untuk menguapkan pelarut, dan menghitung kandungan padat berdasarkan perubahan massa sebelum dan sesudah pemanasan.

Dengan proses dan formulasi homogenisasi yang sama, semakin tinggi kandungan padat bubur, semakin tinggi pula viskositasnya. Demikian pula, semakin rendah kandungan padatan, semakin rendah viskositasnya. Dalam kisaran yang ditentukan untuk kandungan padat, nilai yang lebih tinggi menunjukkan stabilitas bubur yang lebih tinggi. Meningkatkan kandungan padatan dapat mengurangi penggunaan pelarut, mempersingkat waktu pencampuran bubur, dan meningkatkan efisiensi pelapisan dan pengeringan. Namun, seiring dengan meningkatnya kandungan padatan, viskositas meningkat, fluiditas menurun, meningkatkan kesulitan pelapisan dan menyebabkan keausan yang lebih parah pada peralatan.

Hubungi sekarang