不同机制分散剂对锂离子电池阴极浆料的作用机理研究

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化学分散是一种获取均匀分散锂离子电池浆料的重要方法,其实质是利用分散剂的空间位阻机制或静电斥力机制作用于粒子表面,改变粒子表面物理或化学性质来抑制浆料内粒子的团聚。目前,研究人员针对不同机制的分散剂性能与用量进行了大量研究,但对分散剂在浆料内的作用机理探讨较少。因此本次设计基于不同的分散机制,选定三种具有代表性的分散剂聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100,空间位阻型分散剂)、聚乙烯吡络烷酮(PVP,空间位阻型分散剂)和羧甲基纤维素钠(CMC,静电斥力型分散剂),旨在探究不同分散剂对阴极浆料内粒子的作用机理以及对内部结构的影响。选定电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)法和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)法为评估浆料电化学特性和表观形貌特性的方法,通过两种方法共同实现对阴极浆料的分散特性表征。为获取较为精准的分散剂机理结论,本文从以下两方面进行研究:第一,确定分散剂用量对阴极浆料阻抗的影响,并获取分散剂最佳用量。该研究为每种分散剂设置四种用量并将其制成阴极浆料,之后利用EIS进行电化学特性表征。实验结果显示,当Triton X-100和CMC的含量分别为0.5wt%和1.5wt%时,浆料阻抗最小,电化学性能最好;而不同含量PVP制成的阴极浆料峰值电阻和电抗均比未加分散剂时高,故认定该分散剂有促进CB分散但抑制CB包覆LiCoO2结构形成的作用,且当含量为0.5wt%时抑制效果最弱。因此,选定三种分散剂的最佳用量分别为:0.5wt%、0.5wt%和1.5wt%。第二,将最佳用量分散剂应用于特定组分浆料(PVDF-NMP溶液、LiCoO2浆料、CB浆料、阴极浆料)中,通过EIS探究分散剂对浆料的作用效果并推断出分散剂的作用机理。同时为确保实验结论的准确性,采用10参数等效电路法和SEM法对实验结果进行对比分析。经对比发现,三种结果表明:分散剂Triton X-100在阴极浆料中以空间位阻机制作用于CB粒子表面,有效阻止CB粒子间形成二次团聚体,浆料内形成CB包覆LiCoO2结构,分散程度和电化学性能增强;分散剂PVP以空间位阻机制作用于CB粒子表面,有效阻止CB粒子间的团聚,但由于该分散剂有促进LiCoO2团聚作用,浆料内LiCoO2团聚体增多,分散程度和电化学性能下降;分散剂CMC在浆料中电离产生离子并吸附于颗粒表面,当同种颗粒相互靠近会因表面带电一致而产生静电斥力,实现浆料的稳定分散,提高浆料的电化学性能。综上,本次研究通过实验阐明锂离子电池研究中三种典型的分散剂对阴极浆料内粒子的作用机理,进而使分散剂在阴极浆料中的应用具有理论支持,同时也为锂离子电池的工业生产提供理论基础和科学指导。
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