本文由粒度應用專家周輝供稿

電池在現代生活中無處不在，我們對它們的依賴程度也達到了前所未有的高度。因此，通過制造控制確保最佳電池性能越來越重要。

生產電池材料時控制顆粒尺寸很重要，石墨電極中碳微觀結構對電池性能的影響形狀也是需要考慮和控制的重要因素，因為不規則形狀的顆粒不僅會降低堆積密度，而且會導致形成高粘度的電極漿料。

圖1給出了電池電極的典型結構，通常將懸浮顆粒漿料涂覆在金屬箔上制成電極。漿料由電極顆粒（陽極或陰極）、輔助導電的碳顆粒和粘合劑材料（溶劑和聚合物）組成。漿液中的顆粒濃度很高，占總重量的20-40%。因此，顆粒特性對所得漿料的物理特性有重大影響。

圖1.鋰離子電池典型結構

漿料的粘度、分散性、濃度和壓實性是漿料能否有效應用的重要參數。高粘度漿料會導致涂覆過程困難，且分散性不好會導致膜均勻性差；漿料的濃度和壓實性控制膜的密度。涂層厚度的均勻性和層密度對于控制電池的離子傳輸速率和壽命（再充電周期時間）至關重要，而控制層厚度則可以生產更小的電池。

如圖2所示，由于粒子摩擦和相互連接的影響增加，流體繞過粒子所需的額外流動能量，大量不規則形狀粒子的存在會導致漿料粘度增加。

圖2.不規則形狀顆粒的連接和摩擦導致高粘度

粒子形狀還會影響堆積密度，因為不規則粒子的堆積效率低于球形粒子。因此，如圖3所示，在粘度開始增加之前，可以向液體中添加的粒子數量會減少。此外，在相同濃度下，多分散樣品比單分散樣品堆積得更有效，這將降低粘度。然而，較小的不規則粒子可能由于表面積較大而增加粘度，這會加劇粒子間以及粒子與液體之間的相互作用。因此，重要的是能夠監測和控制電極材料樣品中不規則形狀粒子和細粒的比例，以最小化粘度。

圖3.顆粒形狀對粘度的影響

本案例研究了兩種類型的碳材料作為碳電極材料的情況：一種天然的碳A，另一種是人工合成的碳B。這兩種材料都與相同的粘合劑（NMP中質量為2.5%的PVDF）結合，形成濃度為22%（質量百分比）的兩種漿料。

圖4顯示，PVDF加入到NMP中，相對于NMP本身，粘度增加了一個數量級(約20倍)，粘度在很大程度上不受剪切速率的影響（牛頓行為）。

圖4.含有碳A（自然產生）的漿料粘度比碳B（合成生產）高得多

炭黑的加入進一步增加了粘度，得到的漿料均表現出剪切速率依賴性（非牛頓行為）。在低剪切速率和高剪切速率下，碳A制成的漿料的粘度比碳B高得多，這可能會增加靜沉降的阻力（低剪切過程），并導致涂層上的電極膜更厚（高剪切過程）。更高的粘度也可能使涂層過程更難控制，潛在地導致不均勻的涂層和可變的層密度，這反過來導致可變的離子轉移速率和電池壽命（和充電周期時間）。

為了確定粘度差異的原因，兩種碳粉樣品都使用馬爾文的Morphologi自動圖像分析儀進行了分析。樣品使用1bar分散，使用10倍物鏡自動測量超過70000個粒子。如圖6所示，從天然來源的碳材料比人工合成的碳含有更多的細粒物質。

圖5 Morphologi-4 全自動粒度粒形分析儀

圖6.天然碳(紅色)和合成碳(綠色)的尺寸分布

此外，我們發現，雖然兩種樣品的長寬比相差不大，但通過比較圓度，可以發現合成碳材料碳B的圓度比天然來源的碳A的圓度要高，如圖7所示，圖8所示的顆粒圖像證實了這一點。

圖7.合成碳（綠色）比天然碳材料（紅色）更圓，長寬比差異不大

圖8.顆粒圖像顯示了顆粒形狀的差異

兩種碳基電極材料在制成漿料時表現出截然不同的粘度，導致在電池制造過程中具有不同的應用行為。使用粒徑粒形自動分析儀，能證明天然來源的碳含有更高比例的小顆粒和不規則顆粒。因此，當分散成漿料時，天然來源的碳會產生更高的粘度和更低的填充率。