鋰電池陶瓷涂層隔膜前期的陶瓷漿料穩(wěn)定性評估

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(huán)性能等特性。因此需滿足如下一些特性1、好的化學穩(wěn)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(wěn)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(huán)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(fā)現結合兩種不同電極性和晶粒尺寸的陶瓷可以產生協(xié)同效應，使得在不需要使用分散穩(wěn)定劑的情況下即可提高水性陶瓷漿料的分散穩(wěn)定性。

1. 測試原理

Fig1 Test Principle

使用近紅外光源（或多光源系統(tǒng)）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(xù)監(jiān)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(wěn)過程，又可對樣品間的不穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性。這可能是由于CMC的增稠和凝膠作用（如圖2的穩(wěn)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(wěn)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(tài)（如圖2的穩(wěn)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(wěn)定性的作用。使得鋰電池制造流程更加環(huán)境友好，并且對鋰電池用陶瓷涂覆隔膜的后續(xù)一系列品質的提高提供了良好基礎。