碳纳米管导电剂的表征

  锂离子电池在我们身边耳熟能详,手机、笔记本电脑等现代数码beat365唯一官网中均有广泛应用。锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。导电剂则作为关键性的辅助材料,涂覆于正极材料和负极材料。CNT导电浆料是一种用于锂电池的新型高效导电剂,可替代传统的导电碳黑、导电石墨、导电碳纤维等导电剂,具有超高长径比、超大比表面积,超低体积电阻率等优越特性,可应用于各种电极材料中,添加量仅为0.5-1%。

  图1 碳纳米管、炭黑与活性物质导电作用

  CNTs相较于颗粒状Super-P,由于具有较大的长径比,容易在活性物质表面形成导电网络,提高活性材料之间及集电极的粘结牢固性,减少导电剂用量。    

  CNTs用作负极导电剂时具有一定的嵌锂容量,可以和负极活性材料形成协同作用,提高复合电极的比容量,如图1。导电剂核心作用:增加活性物质间的导电接触,提高电子电导率。

  导电剂的添加量服从“渗透阈值”理论,即导电剂在添加到一定量后在活性物质之间达到最优的导电网络,继续添加则不能显著提升电极材料的导电性能。传统炭黑导电剂在正极材料中的添加量一般为3%,而新型导电剂因其高效的导电性能,一般可将添加量降低至0.5- 1.0%。以传统的导电炭黑和碳纳米管进行对比,碳纳米管的添加量仅为炭黑的1/6-1/2。

  导电剂影响如此之大,浆料的好坏是如何评价呢?下面我们简单介绍评估浆料品质的检测项目。

  1.固含量:碳纳米管导电浆料在规定条件下烘干后剩余物占烘干前浆料质量的百分数。注:浆料烘干后的固体成分为碳纳米管以及可能存在的分散助剂、稳定剂等。

  简单测量方法:取少许浆料,质量W,在容器内涂抹成薄膜,一定温度下烘干溶剂,再称量质量w,则固含量N=w/W。

  2.浆料细度:<碳纳米管>浆料中碳纳米管团聚体的大小。

  目前可采用刮板细度计、激光粒度仪、纳米粒度分布仪测细度。工业中常用细度这一指标来检测浆料中颗粒材料的分散程度。细度是电池浆料的重要性能指标,它对形成的涂膜表面质量、均匀性及浆料的储存稳定性都有很大影响。颗粒细,分散程度好的浆料,其固体颗粒能很好地被润湿,所制备涂层均匀、表面平整、不会出现竖直划痕,而且在储存过程中颗粒不易发生沉淀、结块等现象,储存稳定性好。

  3.体积电阻率 :碳纳米管浆料制得的膜的单位体积的电阻大小。

  测试方法:取适量浆料样品放于PET膜上,用缝隙200微米涂布器涂布,烘干,裁片,压实,四探针电阻率仪测试体积电阻率。通过电阻率定量分析浆料中导电剂的分布状态,从而判断浆料分散效果的好坏。如果进一步评价,还需要与活性物,粘结剂混合做成极片,评价导电浆液的包覆及导电情况。

4.粘度:粘度又称为黏性或内摩擦,是流体内阻碍其相对流动的一种特性,即承受应力的液体物质在变形时的性质,它取决于变形速率。旋转粘度计即可测试表征该项指标。

  锂电池浆料是剪切变稀的非牛顿流体,粘度随剪切速率的增加而降低,因此,一般所说浆料的粘度都应该限定剪切速率条件。

  5.水分:非水体系碳纳米管浆料水分的占比。

  目前基本采用卡尔费休-库伦法测定油性浆料水份的大小。对锂电池浆料制备有巨大的影响,PVDF遇到过量的水分会生成胶状的物质,导致浆料的流动性和流平性很差,不利于浆料的涂布。除此之外,水分过量会引起电解液的分解,产生氢氟酸是一种腐蚀性特别强的酸,会对锂电池正负极材料、集流体造成严重的破坏,最终导致电池出现安全性问题。而且在不同的材料体系中,水分含量对电池的性能有很大的影响。但是,不变的是水分对锂电池的首次充放电容量、内阻、电池循环寿命、电池体积均有影响。

  6.形貌和分布状态:SEM/EDS/冷冻电镜

  扫描电镜可以直接观察浆料形貌,配合能谱分析各组分的分散程度,但是样品制备过程中,浆料干燥时可能本身会发生成分再分布,而冷冻电镜能够保持浆料原始的分布状态,近来也开始应用于浆料性质分析。

图2 碳纳米管与活性物质包覆情况的SEM

  7.金属物质含量:  导电浆料中金属物质的含量占比。

  一般采用ICP或者AAS检测浆料中磁性异物(Fe、Cr、Ni、Zn、Co)总含量不超过碳管含量的0.002%(质量分数)。可溶出金属元素杂质(Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Co)含量不超过碳管含量的0.2%(质量分数)。如用户有特殊要求时,可经供需双方协商确定。

  8.ZETA电位: 

  ZETA电位(Zeta potential)是指剪切面(Shear Plane)的电位,又叫电动电位或电动电势(ζ-电位或ζ-电势),是表征胶体分散性、稳定性的重要指标,对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。

  分子或分散粒子越小,Zeta电位的绝对值越高,体系越稳定,即溶解或分散可以抵抗聚集。反之,Zeta电位越低,越倾向于凝结或凝聚,即吸引力超过了排斥力,分散被破坏而发生凝结或凝聚。

  大展纳米一直以来坚持科研投入和可靠的工业放大,逐步推动碳纳米管在锂电池正负极等各大应用领域的应用实践,目前已经成为国内国际多壁碳纳米管产量最大的生产基地,同时也是碳管品种最为齐全、应用领域最为广泛领先的新材料供应商。为碳纳米管的工业化大规模发展逐步奠定技术、应用基础,公司坚信未来的市场发展机会与潜力,深耕市场,厚积薄发,为碳纳米管与碳基材料的明天而奋斗!

时间:2021-06-28 17:07
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