鋰電池陶瓷涂層隔膜前期的陶瓷漿料穩定性評估 - 之雙重陶瓷材料對陶瓷漿料穩定性的提升

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。

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Thinky攪拌機在25℃下攪拌5分鐘。  

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

3.       測試結果

Figure 1 Instability index for various types of aqueous ceramic coating slurries determined using Lumisizer (a) as a function of centrifugation time and (b) at a centrifugation time of 1000s

圖1展示了在該測試條件下，不同材料的組合情況對陶瓷漿料穩定性的影響。

與其他情況相比，含有聚合物粘合劑的陶瓷漿料(4、5和6)表現出更高的分散穩定性。這可能是由于CMC的增稠和凝膠作用（如圖2的穩定機理）。

與單獨的Al2O3 (4)或SiO2 (5)陶瓷相比，Al2O3和SiO2的混合物(6)表現出更高的分散穩定性。由于Al2O3和SiO2的粒度不同以及zeta電位的極性相反，SiO2降低了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，改善了分散狀態（如圖2的穩定機理）。

Figure 2 Demonstrating the formation of the Si02 sheath around the Al203 particles, resulting in the stable dispersion of the dual ceramic slurry.

4. 小結

本文證明了通過預混雙重陶瓷材料，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儀器公眾號