電池與電池材料測試

電極需要粘合劑和添加劑來確保與金屬捕集器的適當粘附。對於陽極電極，羧甲基纖維素（CMC）是一種常見的粘合劑，而苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）是一種常見的具有靈活性的添加劑。TGA可測量CMC、SBR和石墨活性陽極材料的熱降解溫度和組成。Discovery TGA儀器的高靈敏度Tru-Mass Balance可確保準確測量電極中的每種成分。在該測試中，樣品被直接裝在TGA鉑金樣品盤上，無需進行樣品製備。

結論

TGA測量了熱穩定性，並量化了陽極電中粘合劑和添加劑的含量。TGA還可以提供材料的品質控制資料，以確保每批電極中的活性材料、粘合劑和添加劑的用量相同。粘合劑用量不足會影響活性陽極材料與金屬集熱器的附著力；粘合劑用量過多會降低活性材料的含量，影響電化學反應。優化粘合劑/添加劑比例對於提升電池性能和電池壽命至關重要。

電極漿液是複雜的、非牛頓流體，是固體顆粒和聚合物粘合劑在溶劑中的混合物。在電極製造過程的不同階段，它們會受到廣泛變化的剪切變形率的影響。理想的漿液具有較低的粘度，從而達到最佳的混合和塗抹效果（高剪切率），但又具有足夠高的粘度，以便在乾燥過程中獲得良好的平整度，並在儲存過程中儘量減少顆粒的沉降和結塊（低剪切率）。

圖8顯示了在TA Instruments的Discovery混合流變儀（DHR）上，不同剪切率下陽極漿液的粘度。在載入到流變儀上之前，將樣品混合。測量在25˚C下進行，從0.01到1000s-1，使用帶有溶劑捕集器的40mm平行板。

圖8中的資料顯示了在5個剪切率中測得的漿液的粘度。DHR的高級拖杯電機技術允許在20分鐘內完成測量，並可直接讀出粘度數值。最初，在類比儲存條件的低剪切率下，粘度很高，防止沉澱並減少塗抹前的混合能量。DHR的低扭矩靈敏度確保了在這個低剪切率區域的精確、可重複的測量，確保資料的準確性。

隨著剪切率的增加，漿液表現出典型的剪切稀化行為，漿液的粘度下降了近10倍。這對於確保泥漿能夠有效地混合，並在應用于基材時具有適當的流動性是很重要的。

漿液流變學在成膜階段（一個低剪切率的過程）繼續發揮著關鍵作用，在這個階段，粘度增加的速度（稱為觸變性）確保了塗層的平整度。當需要具有高塗層重量以獲得更高的能量密度的電極時，這一點尤其關鍵。

結論:

流變學測量為研究人員提供了一個可靠的分析工具，助力其開發具有更好性能和可製造性的新配方。瞭解和控制漿液流變學不僅有助於選擇適當的製造工藝（卷對卷塗布、槽模塗抹等），而且可以最大限度地提高產量，生產出一致的、無缺陷的、塗抹重量均勻的薄膜，並與電極良好接觸。由於DHR高度直觀的使用者介面減少了操作員的培訓時間並提高了生產率，因而可將這些測量應用在研發和生產中。

在鋰離子電池中，隔膜是一種可滲透的微孔膜，是防止兩個電極之間物理接觸的重要組成部分，可防止短路，但仍允許鋰離子傳輸，這對電池的功能至關重要。Discovery TMA 450儀器可以測量隔膜的尺寸變化和潛在的失效溫度。高靈敏度的尺寸變化測量可以檢測不同隔膜方向的熱膨脹和收縮。將樣品切成24mm長和2mm均勻寬度，並裝在薄膜和纖維探頭上。在氮氣吹掃下，溫度以3˚C/min的速度從-70˚C升至200˚C。

圖5通過TMA 450薄膜/纖維探頭記錄隔膜在兩個不同方向的尺寸變化和熱膨脹係數的TMA測量。X方向的隔膜在136˚C時出現熱收縮，而在Y方向沒有觀察到熱收縮。X方向的CTE值為22.39μm/m˚C，Y方向的CTE值為107μm/m˚C。在兩個方向上測得的熱膨脹係數的顯著差異表明在隔膜中存在取向效應。

結論:

TMA 450儀器可測量隔膜的熱膨脹，並確定了X和Y方向的取向效應。瞭解取向效應是非常重要的，可防止導致電池的機械故障的意外膨脹或收縮。