【炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)】8月11日消息，在扣式鋰電池的制備流程中，漿料里炭黑(作為常用的導(dǎo)電劑，像Super P等)的分散狀況，對電池最終的電化學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響。一旦炭黑分散不均勻，會(huì)在多個(gè)層面給電池性能帶來顯著的負(fù)面效應(yīng)。

首先，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的不均勻性會(huì)致使電池內(nèi)阻增大。在炭黑團(tuán)聚的區(qū)域，雖然局部導(dǎo)電性能良好，但卻無法將整個(gè)電極有效連接起來;而炭黑缺失的區(qū)域則會(huì)形成絕緣“孤島”，使得活性物質(zhì)難以參與到電化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中，進(jìn)而產(chǎn)生局部高阻區(qū)。如此一來，電極內(nèi)部無法構(gòu)建起連續(xù)且高效的電子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，電極整體的電子電導(dǎo)率下降，具體表現(xiàn)為電荷轉(zhuǎn)移阻抗和歐姆阻抗明顯增大。

其次，活性物質(zhì)的利用率會(huì)降低，電池容量也隨之下降。在炭黑缺失或者導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)較為薄弱的區(qū)域，活性物質(zhì)粒子(例如NCM、LFP、石墨等)由于無法獲得充足的電子通路，不能充分參與到鋰離子的嵌入/脫出反應(yīng)中，出現(xiàn)活性物質(zhì)“失活”的情況。而且，炭黑分散不均勻還會(huì)導(dǎo)致部分活性物質(zhì)表面沒有被導(dǎo)電劑有效覆蓋，減少了有效的電化學(xué)反應(yīng)界面面積。最終結(jié)果是，電池的可逆比容量降低，尤其是在高倍率充放電時(shí)，這一現(xiàn)象更為突出。

再者，電流分布不均勻會(huì)加劇局部極化。電流會(huì)優(yōu)先流向?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)良好的區(qū)域，比如炭黑團(tuán)聚處，使得這些區(qū)域的電流密度過大。電流密度過大的區(qū)域會(huì)發(fā)生更為劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，容易導(dǎo)致局部極化(過電位增大)。在充電過程中，可能會(huì)使該區(qū)域的活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，電解液分解加劇(出現(xiàn)產(chǎn)氣、SEI增厚等現(xiàn)象);在放電過程中，可能會(huì)導(dǎo)致鋰在負(fù)極沉積或者深度放電破壞。這些情況會(huì)加速電池的老化，降低循環(huán)壽命，增加安全隱患，例如局部過熱。

另外，倍率性能也會(huì)變差。在高倍率充放電時(shí)，對電子和離子的傳輸速率要求極高。而不均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)會(huì)成為傳輸?shù)钠款i，導(dǎo)致電壓極化顯著增大(充放電曲線平臺(tái)出現(xiàn)傾斜或者消失)，電池電壓迅速達(dá)到截止條件。這樣一來，電池在高電流下的可放出/可充入容量大幅下降，功率密度降低。

同時(shí)，循環(huán)穩(wěn)定性也會(huì)下降。如前文所述，電流分布不均引發(fā)的局部過充/過放、局部SEI增厚不均、活性物質(zhì)局部應(yīng)力集中等問題，都會(huì)加速電極結(jié)構(gòu)的破壞以及界面副反應(yīng)的發(fā)生。電池的容量保持率會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而更快地衰減，循環(huán)壽命縮短。

還有，庫侖效率會(huì)降低。局部極化加劇和電流分布不均會(huì)導(dǎo)致更多的不可逆副反應(yīng)，例如電解液分解、不穩(wěn)定的SEI形成/破壞等。充放電過程中的不可逆容量損失增大，具體表現(xiàn)為庫侖效率(放電容量/充電容量)降低。

對于主要用于實(shí)驗(yàn)室研究的扣式電池而言，漿料分散不均還會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)性增大，重現(xiàn)性變差。具體表現(xiàn)為：同一批次不同電池之間的性能差異較大;同一電池在不同循環(huán)之間的數(shù)據(jù)波動(dòng)大，比如容量出現(xiàn)跳變;難以獲得可靠、可重復(fù)的電化學(xué)數(shù)據(jù)，這會(huì)對準(zhǔn)確評估活性材料本身的性能或者電解液/添加劑的效果產(chǎn)生干擾。

據(jù)炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)了解，綜合來看，炭黑分散不均勻?qū)凼戒囯姵仉娀瘜W(xué)性能的核心影響體現(xiàn)在多個(gè)方面：增大內(nèi)阻，特別是電荷轉(zhuǎn)移阻抗;降低容量，尤其是高倍率容量，同時(shí)降低活性物質(zhì)利用率;惡化倍率性能;加速容量衰減，縮短循環(huán)壽命;降低庫侖效率;導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)大，重現(xiàn)性差。所以，在扣式電池的制備過程中，確保漿料，尤其是導(dǎo)電劑的高度均勻分散，是獲得可靠、高性能電化學(xué)測試數(shù)據(jù)的關(guān)鍵前提。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通常需要優(yōu)化分散工藝，比如選擇合適的分散劑、溶劑，優(yōu)化固含量，控制攪拌/研磨的轉(zhuǎn)速、時(shí)間和方式等。同時(shí)，還要進(jìn)行嚴(yán)格的漿料均勻性表征，常用的檢測方法有以下幾類。

快速、簡易、在線/離線檢測方法有：一是漿料表觀狀態(tài)觀察，包括視覺檢查，觀察漿料顏色是否均勻一致，無深淺條紋、色斑或明顯的團(tuán)聚顆粒，炭黑分散良好的漿料通常呈現(xiàn)均勻的深灰色或黑色;容器壁掛壁檢查，攪拌停止后，觀察漿料在攪拌罐或容器壁上是否均勻掛壁，無明顯的顆粒團(tuán)聚物附著或流淌不均勻痕跡;流動(dòng)性/粘度一致性檢查，用攪拌棒或刮刀挑起漿料，觀察其流淌狀態(tài)，均勻分散的漿料流淌應(yīng)連續(xù)、絲滑，無明顯塊狀物或拉絲不均勻現(xiàn)象，還可以測量不同時(shí)間點(diǎn)或不同部位的粘度，粘度值穩(wěn)定且偏差小是一個(gè)初步指標(biāo)。二是刮板細(xì)度計(jì)測試，這是評估漿料中最大顆粒/團(tuán)聚體尺寸常用的快速且相對定量的方法，原理是將少量漿料置于帶有楔形凹槽的刮板細(xì)度計(jì)上，用刮刀快速刮過，觀察凹槽中出現(xiàn)顆粒條紋的位置，該位置對應(yīng)的深度值即為漿料中最大顆粒的尺寸，對于炭黑分散，目標(biāo)通常是最大顆粒尺寸≤45μm，甚至要求更小，在不同部位取樣測試多次，結(jié)果應(yīng)一致。

微觀結(jié)構(gòu)觀察(離線、更精確)方法有：一是光學(xué)顯微鏡觀察，取少量漿料涂在玻璃片上，攤薄，用光學(xué)顯微鏡觀察是否有明顯的炭黑團(tuán)聚體，分散良好時(shí)，應(yīng)看到活性物質(zhì)顆粒被細(xì)小的炭黑顆粒均勻包覆或填充在間隙，無明顯大塊黑色團(tuán)聚。二是掃描電子顯微鏡觀察，將漿料涂覆在導(dǎo)電基底上，干燥制成極片，用SEM觀察涂層表面或斷面，通過表面形貌觀察炭黑顆粒的分布狀態(tài)，通過斷面形貌觀察炭黑在電極厚度方向上的分布是否均勻。三是能量色散X射線光譜，通過檢測樣品發(fā)出的特征X射線來對元素進(jìn)行面分布或線分布分析，如果導(dǎo)電劑含有特征元素，而活性物質(zhì)不含或含量低，可以通過元素面掃來直觀顯示該元素在電極表面的分布情況。

功能性測試(間接但重要)方法有：一是涂層導(dǎo)電性測試，將漿料涂布在絕緣基材上，干燥后形成薄膜，使用四探針電阻儀測量薄膜的面電阻或計(jì)算電阻率/電導(dǎo)率，在相同配方和涂布厚度下，電阻率越低，通常說明導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建得越好，測量薄膜不同位置的電阻，數(shù)值越接近，說明導(dǎo)電劑在面內(nèi)的分布越均勻。二是極片柔韌性/附著力測試，分散不良導(dǎo)致導(dǎo)電劑團(tuán)聚，可能影響極片的柔韌性或涂層與集流體的附著力，通過彎折測試或膠帶剝離測試進(jìn)行簡單評估。

終極驗(yàn)證方法是扣電性能測試，雖然這不是直接檢測漿料的方法，但扣電性能的一致性和高水平是漿料均勻性(包括導(dǎo)電劑分散)的最終體現(xiàn)。同一批漿料制作的多個(gè)扣電，其容量、內(nèi)阻、倍率性能、循環(huán)性能等應(yīng)高度一致，達(dá)到預(yù)期的高容量、低內(nèi)阻、優(yōu)異的倍率性能和長循環(huán)壽命。