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(nèi)阻和界面結(jié)構(gòu),進(jìn)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(xué)穩(wěn)定性一耐有機(jī)溶劑;2、機(jī)械性能良好一拉伸強(qiáng)度高,穿刺強(qiáng)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(fù)合隔膜為基體,表面涂覆一層納米級三氧化二鋁材料,經(jīng)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(jī)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(yīng)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(jié)劑，表面活性劑三者的添加順序?qū)λ蕴沾蓾{料的穩(wěn)定性的影響。

然而，在這種情況下，為了保持涂層質(zhì)量，仍然需要使用穩(wěn)定劑和潤濕增強(qiáng)劑等功能性添加劑，或者對聚烯烴隔膜的表面進(jìn)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(zhì)的作用，可能影響鋰電池的電化學(xué)性能。且隔膜的表面處理增加了工序數(shù)，從而降低了制造工藝的效率，增加了生產(chǎn)成本，在經(jīng)濟(jì)上是不利的。    

新的研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合兩種不同電極性和晶粒尺寸的陶瓷可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，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(yīng)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(xì)的失穩(wěn)過程，又可對樣品間的不穩(wěn)定性指數(shù)，界面分層，顆粒遷移速度，粒度和分布等進(jìn)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(jié)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(jī)在25℃下攪拌5分鐘。    

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

3. 測試結(jié)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(xiàn)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(jī)理）。

與單獨(dú)的Al2O3 (4)或SiO2 (5)陶瓷相比，Al2O3和SiO2的混合物(6)表現(xiàn)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(chǎn)生靜電斥力，改善了分散狀態(tài)（如圖2的穩(wěn)定機(jī)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(jié)

本文證明了通過預(yù)混雙重陶瓷材料，在水溶液中不需要功能性添加劑即可實(shí)現(xiàn)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(zhì)的提高提供了良好基礎(chǔ)。