Comment évaluer la boue d'électrode de batterie au lithium-ion ?

Dans la production de batteries au lithium-ion, la préparation du coulis est le premier processus. L’adéquation de la suspension après mélange affecte directement le revêtement ultérieur et les performances finales de la batterie, et constitue un indicateur crucial du coût de la batterie. Par conséquent, la préparation des boues joue un rôle central dans la fabrication de batteries lithium-ion. La recherche montre que la distribution microscopique idéale des particules d'une électrode de batterie lithium-ion est caractérisée par une dispersion uniforme des matériaux actifs sans agglomération et une dispersion en couche mince-de particules d'agent conducteur formant un réseau conducteur. Les batteries lithium-ion fabriquées à partir d'électrodes à répartition uniforme des particules présentent d'excellentes performances électrochimiques et une longue durée de vie. Par conséquent, la fluidité, la stabilité et l'uniformité des boues de batteries au lithium-ion sont généralement testées et caractérisées pour évaluer leur adéquation aux processus de revêtement ultérieurs et leur contribution aux performances des matériaux actifs de la batterie.

Dans la production de batteries au lithium-ion, la préparation du coulis est le premier processus. L’adéquation de la suspension après mélange affecte directement le revêtement ultérieur et les performances finales de la batterie, et constitue un indicateur crucial du coût de la batterie. Par conséquent, la préparation des boues joue un rôle central dans la fabrication de batteries lithium-ion. Des études ont montré que la distribution idéale des microparticules des électrodes de batterie lithium-ion est caractérisée par une dispersion uniforme des matériaux actifs sans agglomération et une dispersion en couche mince-de particules d'agent conducteur formant un réseau conducteur. Les batteries lithium-ion fabriquées à partir d'électrodes à répartition uniforme des particules présentent d'excellentes performances électrochimiques et une longue durée de vie. Par conséquent, la fluidité, la stabilité et l'uniformité des boues de batteries au lithium-ion sont généralement testées et caractérisées pour évaluer leur adéquation aux processus de revêtement ultérieurs et leur efficacité à améliorer les performances des matériaux actifs de la batterie.

Les boues d'électrodes sont des fluides non-newtoniens, et il en existe deux types : les boues d'électrodes positives et les boues d'électrodes négatives, qui sont classées en systèmes à base d'huile-et à base d'eau-. La boue agitée doit posséder une bonne fluidité, stabilité et uniformité. Les états des boues avec différentes fluidités sont illustrés sur la figure. Une viscosité excessivement faible ou élevée, une sédimentation, une agglomération et une dispersion inégale peuvent avoir un impact significatif sur les processus de revêtement ultérieurs, provoquant des défauts dans l'apparence macroscopique de l'électrode et des incohérences dans sa microstructure. Contrairement aux exigences en matière de boue dans les industries traditionnelles de fabrication du papier et de revêtement, l'uniformité et la stabilité de la boue des batteries au lithium affectent en fin de compte les performances électriques de la batterie, entraînant une série de problèmes tels qu'une dégradation de la tension, une durée de vie réduite et une mauvaise cohérence de la batterie. Par conséquent, une caractérisation et des tests appropriés de la boue avant le revêtement afin de déterminer son aptitude au traitement sont cruciaux.

Lorsqu'un liquide s'écoule, un frottement interne se produit entre les molécules ; cette propriété est appelée viscosité, mesurée numériquement.

Viscosité=Contrainte de cisaillement / Taux de cisaillement

La relation fonctionnelle entre le taux de cisaillement et la contrainte de cisaillement est appelée courbe rhéologique, couramment utilisée pour décrire la variation de la viscosité de la suspension (fluide) avec les caractéristiques de cisaillement. Les courbes rhéologiques peuvent être utilisées pour distinguer les types de fluides. Pour les fluides newtoniens, la relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement sur la courbe rhéologique est une droite passant par l'origine.

En production,viscosimètre rotatif numériqueet les rhéomètres sont couramment utilisés pour mesurer la viscosité et les courbes rhéologiques. Les viscosimètres sont simples à utiliser, tandis que les rhéomètres peuvent mesurer une plage plus large et des courbes de viscosité-taux de cisaillement/contrainte plus complètes, et fournir des résultats plus précis. Les boues de batterie, en tant que fluides non -newtoniens, présentent diverses propriétés rhéologiques, notamment l'amincissement par cisaillement, la viscoélasticité et la thixotropie.

La plupart des suspensions d'électrodes au lithium-ion présentent des caractéristiques de fluidification par cisaillement. Comme le montre la figure, la viscosité de cisaillement diminue avec l'augmentation du taux de cisaillement. Cette caractéristique est plus prononcée dans les boues à haute teneur en matières solides. À des taux de cisaillement plus élevés, de fortes forces de cisaillement perturbent la structure du réseau formée entre les matériaux, provoquant la réorganisation des particules dans une structure plus ordonnée parallèle au champ de cisaillement, entraînant une diminution de la viscosité et atteignant un plateau newtonien à des taux de cisaillement plus élevés.

Cette caractéristique non-newtonienne est avantageuse dans le processus de revêtement de préparation d'électrode. Avant d'utiliser lemachine de revêtement d'électrode, la boue est transportée du réservoir de transfert à la chambre de revêtement par une pompe à vis. Au cours de ce processus, la suspension est soumise à une faible force de cisaillement et reste dans un état de viscosité élevée pour maintenir sa stabilité. Lorsque la suspension est instantanément éjectée de la lèvre de la tête de revêtement, elle est soumise à un taux de cisaillement élevé, auquel cas la viscosité de la suspension diminue, garantissant un écoulement fluide. Une fois la boue transférée vers le collecteur de courant, le taux de cisaillement diminue et elle reste dans un état de viscosité élevée. Cela peut empêcher ou réduire la sédimentation des particules lorsque la boue est stationnaire ou pendant le processus de séchage, garantissant ainsi une épaisseur de revêtement constante.

La viscoélasticité est également une norme de référence importante pour évaluer les propriétés des boues. Il démontre la relation entre la viscosité (liquide) et l'élasticité (solide) du coulis ; en termes simples, il caractérise si le lisier ressemble davantage à un liquide ou à un solide. Si la suspension de batterie au lithium est seulement visqueuse et manque d'élasticité, un enroulement important se produira pendant le revêtement, ce qui entraînera de mauvaises performances de revêtement. Par conséquent, la suspension de batterie au lithium doit posséder un certain degré d'élasticité en plus de la viscosité, permettant aux filaments cassés de rebondir rapidement pendant le revêtement et garantissant un revêtement uniforme. Si la suspension a une élasticité très élevée ou aucune viscosité du tout, cela indique une agglomération importante ou une structure semblable à un -solide, rendant le revêtement impossible.

La viscoélasticité est généralement mesurée à l'aide d'un rhéomètre. Des forces de cisaillement vibratoire de petite -amplitude, telles que le balayage d'amplitude et le balayage de fréquence, sont appliquées pour mesurer la viscoélasticité de la boue.

Le taux de cisaillement augmente continuellement de zéro à une valeur constante et la contrainte de cisaillement correspondante est enregistrée au cours de ce processus. Ensuite, le taux de cisaillement diminue progressivement jusqu'à zéro et la valeur de contrainte de cisaillement correspondante est enregistrée. Une courbe fermée du taux de cisaillement en fonction de la contrainte de cisaillement peut être tracée ; cette courbe est appelée anneau normal thixotrope. Plus la surface de l'anneau normal est grande, plus les performances thixotropiques sont grandes, et vice versa.

La viscosité est un facteur crucial dans l'évaluation de la stabilité des boues de batteries au lithium-ion. Les viscosités trop élevées ou trop faibles nuisent au revêtement. Les boues à haute -viscosité sont moins sujettes à la décantation et ont une meilleure dispersibilité, mais une viscosité trop élevée entraîne un mauvais nivellement, rendant le revêtement difficile et réduisant la vitesse de revêtement. Une réduction appropriée de la viscosité contribue à améliorer l’efficacité du revêtement. Une viscosité plus faible assure une bonne fluidité de la suspension et aide à éliminer les bulles d'air, mais une viscosité excessivement faible entraîne des difficultés de séchage, réduit la vitesse de revêtement, exacerbe un revêtement irrégulier et peut provoquer des fissures et une agglomération de la suspension.

Pendant la production, en particulier après un certain temps de repos de la boue, la viscosité change souvent, principalement de trois manières : augmentation de la viscosité, diminution de la viscosité et cas particuliers.

(1) Viscosité accrue :Après un repos prolongé, le colloïde passe de l'état sol à l'état gel, provoquant une augmentation de la viscosité de la suspension. Remuer lentement la bouillie restaurera la viscosité.

(2) Réduction de la viscosité :La viscosité diminue lorsque le liant absorbe de l'humidité et subit des changements qualitatifs, des altérations structurelles lors de l'agitation ou une dégradation. Une agitation prolongée, une vitesse d'agitation trop rapide et une dispersion inégale de la suspension pendant l'homogénéisation peuvent toutes conduire à une réduction de la viscosité. L'ajout de stabilisants de boue, de dispersants ou de tensioactifs peut améliorer la stabilité de la boue grâce aux principes de répulsion de charge et d'encombrement stérique. De plus, tous les composants doivent être soigneusement séchés avant l'homogénéisation.

(3) Cas particuliers :Les matériaux actifs peuvent absorber l'humidité pendant le stockage ou être agités dans des environnements-à forte humidité, ce qui amène le PVDF à absorber l'humidité et à produire une suspension « gélatineuse-semblable à ». Lorsque la bouillie présente une consistance gélatineuse particulièrement prononcée, elle est inutilisable. Dans ce cas, la boue problématique peut être séchée, le liant et le NCM vaporisés et séparés, puis tamisés, broyés et mélangés proportionnellement à une boue normale. Il peut alors être utilisé sans affecter les performances de la batterie. Par conséquent, la méthode de prévention la plus efficace consiste à sécher soigneusement le matériau avant l’homogénéisation, à mesurer la teneur en humidité et à contrôler strictement l’humidité pendant l’homogénéisation.

Le pourcentage de substances solides telles que des matières actives, des agents conducteurs et des liants dans la masse totale du coulis est appelé contenu solide du coulis. Généralement, la teneur en matières solides est comprise entre 40 et 70 %. La principale méthode de test de la teneur en matières solides est la méthode de séchage. Pesez une bouillie d'une masse de M, placez-la à une certaine température pour sécher le solvant, puis pesez-la à nouveau avec une masse de m. La teneur en solides est ensuite calculée comme m=M/M. Un humidimètre peut être utilisé pour mesurer rapidement et de manière relativement précise la teneur en matières solides du lisier. L'humidimètre utilise le principe de la perte de poids thermique ; il chauffe uniformément l'échantillon avec une lampe halogène pour évaporer le solvant et calcule la teneur en solides par le changement de masse avant et après chauffage.

Avec le même processus d'homogénéisation et la même formulation, plus la teneur en matières solides de la bouillie est élevée, plus sa viscosité est élevée. De même, plus la teneur en solides est faible, plus la viscosité est faible. Dans une plage définie de teneur en solides, une valeur plus élevée indique une plus grande stabilité du lisier. L'augmentation de la teneur en matières solides peut réduire l'utilisation de solvants, raccourcir le temps de mélange de la boue et améliorer l'efficacité du revêtement et du séchage. Cependant, à mesure que la teneur en matières solides augmente, la viscosité augmente, la fluidité diminue, ce qui augmente la difficulté de revêtement et provoque une usure plus sévère de l'équipement.

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