Độ ổn định và độ phân tán của bùn pin có tác động quan trọng đến tính chất của điện cực và thành phẩm pin. Vậy làm thế nào để mô tả tính ổn định và khả năng phân tán của bùn pin?
Phương pháp mô tả độ ổn định của bùn pin
1. Phương pháp nội dung rắn
Phương pháp kiểm tra hàm lượng chất rắn là phương pháp chi phí thấp và dễ kiểm tra. Nguyên tắc của nó là đặt bùn vào một thùng chứa và lấy mẫu đều đặn tại cùng một vị trí để kiểm tra và phân tích hàm lượng chất rắn. Bằng cách đánh giá sự khác biệt về hàm lượng chất rắn, độ ổn định của bùn pin lithium có thể được đánh giá để xem liệu có hiện tượng lắng đọng, phân tầng và các hiện tượng khác hay không.
2. Phương pháp đo độ nhớt
Phương pháp kiểm tra độ nhớt về cơ bản cũng có thể phản ánh tính ổn định của bùn. Nguyên tắc của nó là đặt hỗn hợp bùn vào một thùng chứa và kiểm tra độ nhớt đều đặn. Độ ổn định của bùn có thể được đánh giá bằng sự thay đổi độ nhớt.
3. Máy phân tích độ ổn định
Việc sử dụng máy phân tích độ ổn định có thể nói chuyện với dữ liệu. Ví dụ, Sung và cộng sự. đã sử dụng máy phân tích độ ổn định để theo dõi sự thay đổi độ truyền ánh sáng của các loại bùn có độ pH khác nhau bằng cách sử dụng PAA làm chất kết dính trong vòng 12 giờ. Độ truyền ánh sáng ban đầu và giá trị thay đổi 12-giờ của bùn trung tính nhỏ hơn. Bởi vì vật liệu cacbon đen có khả năng hấp thụ ánh sáng, độ truyền ánh sáng thấp hơn cho thấy sự phân tán của các hạt cacbon đen tốt hơn và các chất kết tụ vi mô nhỏ hơn có diện tích bề mặt riêng lớn hơn, từ đó cải thiện hiệu quả hấp thụ ánh sáng. Đồng thời, sự thay đổi nhỏ về độ truyền ánh sáng của bùn trong vòng 12 giờ cho thấy bùn có độ ổn định phân tán tốt trong quá trình tĩnh, như trong hình bên dưới.
4. Đặc tính thế Zeta
Thế Zeta đề cập đến thế năng của Mặt phẳng cắt, còn được gọi là thế điện động hoặc lực điện động, và là một chỉ số quan trọng để mô tả tính ổn định của sự phân tán keo. Các phân tử hoặc hạt phân tán càng nhỏ thì giá trị tuyệt đối của thế Zeta (dương hoặc âm) càng cao và hệ thống càng ổn định, nghĩa là sự hòa tan hoặc phân tán có thể chống lại sự kết tụ. Ngược lại, thế Zeta càng thấp (dương hoặc âm) thì càng có xu hướng đông tụ hoặc tổng hợp, tức là lực hút vượt quá lực đẩy, sự phân tán bị phá hủy và xảy ra hiện tượng đông tụ hoặc kết tụ.
Phương pháp đặc trưng của sự phân tán bùn pin
1. Độ mịn
Độ mịn là một chỉ số hiệu suất quan trọng của bùn pin, có thể phản ánh thông tin như kích thước hạt và độ phân tán của bùn. Giá trị độ mịn có thể được sử dụng để hiểu liệu các hạt trong bùn có bị phân tán hay không và liệu các chất kết tụ có được khử kết tụ hay không.
2. Trở kháng màng
Bùn pin lithium là một hệ thống hỗn hợp rắn-lỏng được hình thành bằng cách phân tán vật liệu hoạt động điện cực và chất dẫn điện trong dung dịch chất kết dính. Theo nguyên tắc kiểm tra trở kháng màng bốn đầu dò, trở kháng màng bùn được kiểm tra. Trạng thái phân bố của chất dẫn điện trong bùn có thể được phân tích định lượng thông qua điện trở suất để đánh giá hiệu ứng phân tán của bùn. Quy trình thử nghiệm cụ thể là: sử dụng máy bôi màng để phủ đều bùn lên màng cách điện, sau đó làm nóng và sấy khô, đo độ dày của lớp phủ sau khi sấy, cắt mẫu và kích thước đáp ứng yêu cầu vô hạn. Cuối cùng, sử dụng bốn đầu dò để đo trở kháng màng điện cực và tính toán điện trở suất dựa trên độ dày.
3. Kính hiển vi điện tử quét/phân tích phổ năng lượng/kính hiển vi điện tử lạnh
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) có thể được sử dụng để quan sát trực tiếp hình thái của bùn pin và phối hợp với phân tích phổ năng lượng (EDS) để phân tích sự phân tán của từng thành phần. Tuy nhiên, khi chuẩn bị mẫu, việc làm khô bùn trong quá trình này có thể gây ra sự phân phối lại các thành phần của chính nó. Kính hiển vi điện tử đông lạnh (Cryo-SEM) có thể duy trì trạng thái phân bố ban đầu của các thành phần bùn nên gần đây nó đã bắt đầu được sử dụng trong phân tích đặc tính bùn.
4. Chụp CT điện cực
Chụp ảnh CT điện cực có thể quan sát trực tiếp trạng thái phân tán của các hạt trong điện cực. Như thể hiện trong hình sau, có nhiều hạt lớn kết tụ hơn trong điện cực ở Hình a, các hạt kết tụ ở điện cực ở Hình b giảm đi đáng kể và hầu như không còn các hạt lớn kết tụ ở điện cực ở Hình c.
5. Công nghệ đo nhiễu xạ laser
Công nghệ đo nhiễu xạ laser sử dụng lý thuyết tán xạ Fresnel và lý thuyết Fraunhofer để thu được kích thước và sự phân bố hạt. Máy phân tích kích thước hạt laser dựa trên công nghệ này có độ chính xác đo cao, độ lặp lại tốt và thời gian đo ngắn. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất pin để kiểm tra kích thước hạt của bùn trong pin.
6. Phương pháp phân tích quang phổ trở kháng điện hóa
Ví dụ, Wang và cộng sự. đã sử dụng phương pháp phân tích quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) để phân tích trực tiếp phổ trở kháng của bùn lỏng và thu được các đặc tính điện hóa của bùn ở các nồng độ hạt khác nhau. Và thông qua kết quả điều chỉnh phổ trở kháng, phương pháp đánh giá cấu trúc phân bố hạt bên trong của hỗn hợp điện cực dựa trên mô hình mạch tương đương tham số đã được thiết lập, mang lại ý tưởng mới cho phép đo trực tuyến và đánh giá trực tuyến cấu trúc không đồng nhất bên trong của bùn pin lithium-ion. Nguyên tắc kiểm tra EIS được thể hiện trong hình.
Các phương pháp mô tả cả độ ổn định và độ phân tán của bùn
1. Máy đo lưu biến
(1) Kiểm tra độ nhớt đàn hồi
The viscoelastic characteristics of the slurry are characterized by the relative valuesof the storage modulus (G′) and the loss modulus (G″). The storage modulus G′, also known as the elastic modulus, represents the capacity stored when the slurry undergoes reversible elastic deformation and is a measure of the elastic deformation of the slurry. The loss modulus G″, also known as the viscous modulus, represents the energy consumed when the slurry undergoes irreversible deformation and is a measure of the viscous deformation of the slurry. In the frequency scan, based on the relative size of G′and G″and evaluating the sensitivity of G′to the angular frequency, it is possible to reflect whether the slurry is in a fluid state or a solid-like state. In the low-frequency range, G′>G” và sự khác biệt càng lớn thì độ ổn định của bùn càng tốt. Như thể hiện trong hình bên dưới, độ ổn định của bùn than chì tự nhiên tốt hơn so với bùn than chì tổng hợp.
(2) Thay đổi độ nhớt theo tốc độ cắt
Độ nhớt của bùn thường thay đổi theo tốc độ cắt. Khi hiện tượng cắt mỏng tồn tại, các chất kết tụ mềm trong bùn dễ bị phá hủy do ứng suất cắt. Ngược lại, sự hiện diện của độ dày cắt thường chỉ ra rằng có các hạt tổng hợp cứng trong bùn. Nói chung, bùn có tốc độ cắt mỏng nhanh hơn có xu hướng phân tán tốt hơn, bỏ qua sự phá hủy chất kết dính bởi lực cắt. Như thể hiện trong hình bên dưới, hỗn hợp bùn được biểu thị bằng vòng tròn rỗng có khả năng phân tán tốt hơn hai loại bùn còn lại.
(3) Kiểm tra căng thẳng năng suất
Ứng suất chảy trong lưu biến được định nghĩa là ứng suất tác dụng tại đó biến dạng dẻo không thể đảo ngược lần đầu tiên được quan sát thấy trên mẫu. Về mặt lý thuyết, ứng suất chảy là ứng suất tối thiểu cần thiết để bắt đầu dòng chảy. Phân tích năng suất rất quan trọng đối với tất cả các chất lỏng có cấu trúc phức tạp. Nó giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất của sản phẩm, chẳng hạn như thời hạn sử dụng và độ ổn định chống lại sự lắng đọng hoặc tách pha. Có nhiều phương pháp lưu biến khác nhau có thể được sử dụng để xác định ứng suất chảy. Hình dưới đây thể hiện phân tích ứng suất chảy bằng phương pháp giảm dòng chảy cắt. Từ kết quả thí nghiệm, có thể thấy ở tốc độ cắt vừa phải, ứng suất cắt giảm khi tốc độ cắt giảm. Tuy nhiên, khi tốc độ cắt tiếp tục giảm, đường cong ứng suất đạt mức ổn định và không phụ thuộc vào tốc độ. Giá trị ứng suất ổn định này được gọi là điểm chảy dẻo. Đồng thời, đường cong "độ nhớt biểu kiến" đo được trở nên vô hạn và có mối quan hệ tuyến tính với tốc độ cắt khi độ dốc là -1.
Vì than chì tổng hợp có kích thước hạt lớn hơn và hình dạng hạt không đều hơn nên bùn thể hiện ứng suất chảy thấp hơn và cấu trúc mạng lưới yếu hơn. Vì vậy, mẫu bùn than chì tổng hợp này sẽ dễ bị lắng đọng và tách pha hơn. Sự lắng đọng bùn có thể dẫn đến sự phân bố không đồng đều của các vật liệu hoạt động trên điện cực, do đó làm giảm hiệu suất của pin.
(4) Thixotropy
Sau khi phủ, bùn pin sẽ san bằng dưới tác dụng của trọng lực và sức căng bề mặt trên bộ thu dòng. Trong phạm vi tốc độ cắt thấp, hy vọng độ nhớt sẽ dần trở lại độ nhớt cao trước khi phủ. Trước khi trở lại độ nhớt cao, độ nhớt của bùn vẫn tương đối thấp, dễ san phẳng và bề mặt lớp phủ mịn và có độ dày đồng đều. Thời gian phục hồi không nên quá dài hoặc quá ngắn. Nếu thời gian phục hồi quá dài, độ nhớt của bùn trong quá trình san lấp mặt bằng sẽ quá thấp, dễ bị bám cặn hoặc độ dày của cạnh dưới cao hơn độ dày của lớp phủ phía trên. Nếu thời gian quá ngắn, bùn sẽ không có thời gian để san bằng.
2. Máy đo điện trở bùn
Thông số điện trở suất của bùn có mối tương quan đáng kể với công thức bùn, loại và hàm lượng chất dẫn điện, loại và hàm lượng chất kết dính, v.v. Sau khi khuấy bùn và để yên trong một khoảng thời gian, quá trình lắng đọng gel có thể xảy ra. xảy ra và giá trị điện trở suất cũng sẽ có mức độ thay đổi khác nhau. Do đó, điện trở suất của bùn có thể được sử dụng như một phương pháp để mô tả tính đồng nhất và ổn định của các đặc tính điện của bùn.
Phương pháp thử nghiệm:cho một thể tích bùn nhất định (khoảng 80mL) vào cốc thủy tinh đo, cắm bút điện cực sạch vào, khởi động phần mềm, kiểm tra sự thay đổi điện trở suất của bùn ở ba cặp điện cực theo thời gian và lưu vào tài liệu.
Các thông số thử nghiệm:điện trở suất, nhiệt độ, thời gian
Công thức tính toán:Điện trở suất (Ω*cm):Ρe=U/I * S/L
Đặc trưng:
1. Tách các đường dây điện áp và dòng điện, loại bỏ ảnh hưởng của điện cảm đến phép đo điện áp và cải thiện độ chính xác phát hiện điện trở suất.
2. Điện cực đĩa đường kính 10 mm đảm bảo diện tích tiếp xúc tương đối lớn với mẫu và giảm sai số kiểm tra.
3. Sự thay đổi điện trở suất ở ba vị trí theo hướng thẳng đứng của bùn theo thời gian có thể được theo dõi trong thời gian thực.
Phạm vi đo điện trở suất:2,5Ω*cm~50MΩ*cm
Độ chính xác đo điện trở:±0.5%
