用于锂离子电池的石墨粉的热重分析

关键词：石墨、电池、TGA、阳极

TA470

摘要

石墨（天然石墨或合成石墨）是锂离子电池阳极制造中最常用的材料。石墨颗粒的类型、纯度、形状和大小会显著影响电池的性能和循环寿命。热重分析 (TGA) 可用于测量石墨的分解，并可对石墨的粒径、均匀性和纯度进行表征。对工业石墨样品的分析表明，分解温度取决于颗粒大小。该工作表明，除了了解石墨的热特性外，TGA 还可用于质量控制并可作为其他技术（如粒径分析）的补充。

引言

当前，锂离子电池（LIB）的阳极通常是通过在铜集流器上沉积石墨而制成。合成石墨和天然石墨均可用于此目的，合成石墨更为昂贵，但与天然石墨相比，合成石墨的纯度更高，循环行为更可预测。[1]. 将石墨浆料沉积在铜箔上，然后进行干燥，以留下石墨颗粒、粘合剂和其他添加剂的涂层。石墨颗粒的特定尺寸分布将影响涂层质量。该涂层的性质会影响锂离子电池的性能特征，如容量和循环寿命 [1] [2] [3]。目前而言，8 µm 到 30 µm 之间的粒径似乎是理想尺寸，因为该粒径范围的石墨会导致堆积密度增加，进而影响体积容量 [1]。

热重分析（TGA）可用于研究粒径对降解的影响 [4]。它还被用于区分各种形式的石墨（石墨、石墨烯和氧化石墨烯），从而表征样品的纯度和均匀性 [5]。TGA 是一种热分析技术，用于测量样品在熔炉中接受加热程序后的重量变化。它是一种简单、可靠的分析工具，可用于质量控制和研究目的。重量变化的机制之一是样品分解。由于分解的动力学性质，发生重量变化的温度对许多参数都很敏感，包括温度斜坡率、样品质量、样品形态和粒径。

在本说明中，将应用 TGA 对各种粒径的天然和合成石墨进行分析。该分析将提供在质量控制方面有价值的信息，如批次一致性和杂质。

应用优势

• TGA 分解温度对粒径非常敏感，进而可为标准的粒径分布测量提供补充，在某些情况下，还能增强测量效果。
• TGA 分解曲线中的结构可能表明存在不同类型的石墨和/或杂质，在标准粒径分布测量中可能无法检测出这些指标。
• TGA 残留物测量可为热惰性无机杂质的存在提供一个简单的筛选参数。

合成石墨

NEI 合成样品与 NEI 03 天然石墨的 PSD 数据的比较在图 6 中显示。报告的合成样品的 D50 值在表 3 中显示。该值与 NEI 03 几乎相同，为 17.97。如体积分布平均直径（Mv）等其他测量值也非常接近（20.33 µm 相比于 19.68 µm）。

尽管粒径相似，TGA 数据却显示出两个样品间存在显著差异，如图 7 所示。相应的导数峰、T15 和 T50 结果在表 4 中显示。分解温度的差异以及数据的良好重现性表明，TGA 可用于不同等级石墨样品的表征。

结论

对天然和合成石墨进行了热重分析。对天然石墨的测量表明，重量损失数据对粒径敏感，这与之前公布的数据一致。导数峰、15% (T₁₅) 重量损失时的温度和 50% (T₅₀) 重量损失时的温度均与粒径相关。 合并数据时，TGA 数据可补充并澄清粒径数据。

与天然样品相比，粒径与其非常相似的合成样品具有更低的降解温度。它也不与三个天然样本显示的线性进程拟合，这可能是由于形态和晶体结构的原因。天然石墨和合成石墨在形态和结晶结构上均存在固有的差异，这些差异来自它们各自的制造过程。粒径分析可能无法揭示这些差异。热重分析仪可用于粉体石墨应用领域的质量控制和分析研究（包括电池研究的重要领域），以提供有关样品均匀性和纯度的信息。 它是一种可用于石墨材料表征的快速、可靠且简单的分析技术。

参考文献

1. J. Asenbauer, T. Eisenmann, M. Kuenzel, A. Kazzazi, Z. Chen and D. Bresser, “The success story of graphite as a lithium-ion anode material- fundamentals, remaining challenges, and recent developments including silicon (oxide) composites,” Sustainable Energy & Fuels, vol. 4, no. 5387, 2020.
2. C. Mao, M. Wood, L. David, J. An, Y. Sheng, Z. Du, H. M. Meyer III, R. E. Ruther and D. L. Wood III, “Selecting the Best Graphite for Long-Life, High-Energy, Li-Ion Batteries,” Journal of The Electrochemical Society, vol. 165, no. 9, pp. A1837-A1845, 2018.
3. F. Roder, S. Sonntag, D. Schroder and U. Krewer, “Simulating the Impact of Particle Size Distribution on the Performance of Graphite Electrodes in Lithium-Ion Batteries,” Energy Technology, pp. 1588-1597, 2016.
4. W. Jiang, G. Nadeau, K. Zaghib and K. Kinoshita, “Thermal analysis of the oxidation of natural graphite- effect of particle size,” Thermochimica Acta, vol. 351, pp. 85-93, 2000.
5. F. Farivar, P. L. Yap, R. U. Karunagaran and D. Losic, “Thermogravimetric Analysis (TGA) of Graphene Materials: Effect of Particle Size of Graphene, Graphene Oxide and Graphite on Thermal Parameters,” Journal of Carbon Research, vol. 7, p. 12, 2021.
6. T. J. Neubert, J. Royal and A. R. Van Dyken, “The Structure and Properties of Artificial and Natural Graphite,” 1955.

致谢

本文由 TA Instruments 首席应用科学家 Gray Slough 博士撰写。

我们非常感谢 NEI Corporation 提供石墨样品和所有样品的粒径分布测量。

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聚丙烯电池隔膜的调制 DSC

关键词：调制 DSC、MDSC、电池隔膜、锂离子电池、聚丙烯、热分析、DSC

TA465

摘要

对聚丙烯（PP）电池隔膜进行了调制 DSC（MDSC）实验，以深入了解薄膜加工过程中的拉伸效应。MDSC 实验揭示了由拉伸过程导致的具有更高熔点（~163°C）的 α 相 PP 结构。这些熔融转变主要存在于不可逆热流信号中，尽管使用了 1°C/分钟的相对较慢的加热速率，但对 MDSC 实验中的温度变化未作出反应。高熔点结构也出现在不可逆信号的二次加热中，同时在可逆热流中发现 α 和 β 球晶。在第二次加热中，不可逆热相对于总熔化热的比例显著降低，这可能表明，保持在平衡熔化温度以上的等温过程中，一些诱导的结构被破坏。还提出了一种方法来评估该熔化热差异的吸热分数。

引言

在之前的应用说明 [1] 中，使用基本的热分析技术对由单轴拉伸聚丙烯（PP）薄膜制成的电池隔膜进行了表征。在本说明中，通过使用 MDSC 将与加热速率相关的事件（称为可逆）和与时间和温度相关的事件（称为不可逆或动力学）分开，以获得更详细的信息。

MDSC 实验将正弦温度加热速率与线性加热速率或静态加热（准等温）叠加。振荡温度强迫函数的傅里叶变换和由此产生的热流率响应将这些信号反卷积为可逆和非可逆组份 [2]。在 MDSC 实验中观察到的一些转化示例及其相应的可逆和不可逆热流信号在表 1 中显示。

表1. 转化和相关调制热流信号的部分总结

实验

使用表 2 中列出的参数对通过商业购买的 Celgard 2400® (PP) 进行了测试。

表 2. MDSC 实验条件

样品以 1°C/分钟的速度升温至 230°C 并保持等温 10 分钟以破坏保留的热历史。等温保持后，样品迅速冷却至 -50°C，并再次升温至 230°C。选择明显高于平衡熔化温度的温度上限，以破坏保留的热历史 [3]。并非所有半结晶聚合物都可能进行此类测试，因此通过 TGA 确定分解温度非常重要。

结果和讨论

结论

使用 MDSC 评估了 Celgard 2400® 电池隔膜中使用的 PP 薄膜的拉伸效应。MDSC 实验表明，熔点高于 PP 典型熔点范围的结构主要出现在第一次和第二次加热的不可逆热流信号中。这些结构可能是非常致密、有效堆积的晶体，值得通过更明确的技术进行进一步的研究。临时定向效应也促进了不可逆热流的产生。

此外，第二热不可逆热流显示出晶体完美性、冷结晶和高熔化转变。当使用 10°C/分钟的更快的加热速率时，未出现高熔点晶体，表明它们可能在冷结晶过程中形成。使高熔点晶体成核的形态在高于平衡熔化温度的约 50°C 时保持稳定，但在 10°C/分钟的适度加热速率下，结晶受到抑制。

第一次加热的可逆热流显示 α 相在 165°C 时熔化，高熔点晶体在 169°C 时熔化。 第二次加热可逆热流显示出在第一次加热中未观察到的 α 相和 β 相。通过同步冷结晶，β 结构在总热流中被掩盖。

在第二次加热中，不可逆热流对 ΔH 的分数贡献有所降低，表明高于平衡熔化温度的保持等温期间，一些诱导结构被破坏。提出了一种基于评估吸热性不可逆热流差异来估计 ΔH 降低的方法，并发现，第二次加热相对于第一次加热的熔化热吸热差可能源自临时定向效应。

参考文献

1. H Lau, J Browne, “Thermal Analysis of a Battery Separator (TA457),” TA Instruments, New Castle DE, 2022.
2. M. Reading, “Modulated Temperature Scanning Calorimetry – Theoretical and Practical Applications in Polymer Characterization,” in Hot Topics in Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 6, J. Simon, Ed., Springer, 2006.
3. Browne, J, “TA 395 Assessing the Effects of Process Temperature on Crystallization Kinetics of Polyphenylene Sulfide Utilizing Differential Scanning Calorimetry (DSC)”.
4. F. Sadeghi, “Properties of Uniaxially Stretched Polypropylene Films: Effects of Drawing Temperature and Random Copolymer Content,” The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 88, December 2010.
5. Len Thomas, “Modulated DSC Paper #2 – Modulated DSC Basics; Calculation and Calibration of MDSC Signals,” TA Instruments, New Castle DE.

致谢

本文由 TA Instruments 的资深科学家 James Browne 撰写。

TA Instruments 长期以来一直是调制热分析领域公认的创新者和领导者。

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聚丙烯电池隔膜的调制热机械分析（MTMA）

关键词：调制热机械分析、MTMA、电池隔膜、锂离子电池，聚丙烯

TA463

摘要

对聚丙烯 (PP) 电池隔膜进行了调制热机械分析 (MTMA)，以进一步了解尺寸变化和线性膨胀系数 (CLE 或 α) 的机制。在亚环境温度范围内以及在确定的收缩开始、变形和破裂温度下测量尺寸变化。在选定的温度范围内确定 CLE，直至破裂温度。在亚环境温度和上限温度范围内均观察到薄膜的各向异性特性，横向 (TD) 的正 CLE 显著高于机器方向 (MD)。约 80°C 时观察到不可逆尺寸变化的机器方向收缩，最终导致断裂。可逆尺寸变化的膨胀在机器方向破裂点之前为正数。在整个温度范围内，机器方向和横向的不可逆尺寸变化对总尺寸变化的贡献更大。MTMA 可将这些效应与固有热膨胀特性分离，是研究工艺效果的出色工具。

引言

各向异性电池隔膜（如 Celgard 2400^® ）的安全机制是薄膜在过热期间收缩，多孔结构因此坍塌，从而有效地终止电化学反应并关闭电池。收缩的原因是，在制造过程中由单轴拉伸施加到隔膜的感应应力得到了释放。调制 TMA 将尺寸变化分为可逆和非可逆组份，可为尺寸变化机制提供更为深入的了解，因此有助于隔膜的设计。

一般而言，材料被加热时会膨胀，材料冷却后会收缩到原始尺寸。该类型的膨胀是可逆的，长度相对于温度的变化率就是 CLE（方程式 1）。如果材料被加热并承受载荷，材料可能会软化并流动（蠕变）。 这种尺寸变化是不可逆的，因为不能仅通过冷却将样品恢复到原始尺寸。同样，如果材料通过加热软化，拉伸然后冷却，样品中会留下残余应力。在随后的加热中，材料会松弛和收缩。这种变形也是不可逆的。 对于各向同性材料，其膨胀速率和范围在所有方向上均为一致，而对于各向异性材料，其膨胀和膨胀速率在所有方向上均不一致。

除非样品为各向同性材料并且未施加负载，否则 TMA 测量所有这些影响的总和。利用 MTMA 可将依赖于温度的可逆热膨胀与依赖于时间和温度的不可逆膨胀（或收缩）分开。如公式 1 所示，总尺寸变化率是依赖于温度的可逆组份与依赖于时间和温度不可逆组份的总和。

其中 L 是样品长度，α 是 CLE，f(t,T)是时间和温度的函数，描述了由施加载荷或应力松弛导致的尺寸变化 [1]。

实验

使用的样品是 Celgard 2400（PP），由商购获得。

表 1. MTMA 实验条件

结果和讨论

结论

MTMA 的不可逆尺寸信号发现加工或拉伸 PP 电池隔膜所产生的影响，其中包含时间和温度相关性（动力学）尺寸变化。本次调查中获得的数据表明，不可逆尺寸组份是横向和机器方向总体尺寸变化的主要贡献者。

MTMA 也可扩展应用于其他薄膜结构和组份；示例包括双轴拉伸薄膜、共挤出物、共聚物和共混物。由于不可逆膨胀的动力学性质，工作温度范围内热循环的影响可能是另一个重要的研究领域。

可逆尺寸变化包含温度相关性组份，可阐明包括各向异性在内的固有膨胀特性。这对于评估不同的薄膜结构、组份以及填料等无机成分也同样重要。

参考文献

1. D. Price, “Theory and Applications of Modulated Temperature Programming to Thermomechanical Techniques,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 64, pp. 323-330, 2001.
2. Roger Blaine, “Modulated Thermal Mechanical Analysis – Measuring Expansion and Contraction Simultaneously (TA311),” New Castle DE.
3. “ASTM E831 Standard Test for Linear Thermal Expansion of Solid Materials by Thermomechanical Analysis,” ASTM, West Conshohocken PA, 2006.
4. H Lau, J Browne, “Thermal Analysis of a Battery Separator (TA457),” TA Instruments, New Castle DE, 2022.
5. P. Castejon, “Polypropylene Based Porous Membranes: Influence of Polymer Composition, Extrusion Draw Ratio, and Uniaxial Strain,” Polymers, vol. 10, no. 33, 2010.
6. C. Love, “Thermomechanical Analysis and Durability of Commercial Micro-Porous Polymer Li-ion Battery Separators,” Journal of Power Sources, vol. 196, pp. 2905-2912, 2011.
7. C. Xie, “Stretched Induced Coil Helix Transition in Isotactic Polypropylene: A Molecular Dynamics Simulation,” Macromolecules, vol. 51, pp. 3994-4002, 15 May 2018.
8. F. Sadeghi, “Properties of Uniaxially Stretched Polypropylene Films: Effects of Drawing Temperature and Random Copolymer Content,” The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 88, December 2010.

致谢

本文由 TA Instruments 的 James Browne 和 Hang Lau 博士撰写。

TA Instruments 长期以来一直是调制热分析领域公认的创新者和领导者。

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电池隔膜开发：涂层的影响

关键词： DSC、TMA、TGA、DMA、热分析、电池、电池隔膜、锂离子电池、聚烯烃

TA462

摘要

电池隔膜对锂离子电池的性能和安全性至关重要，电池隔膜允许进行离子交换的同时还用作电极之间的物理屏障。可将涂层应用于多孔聚合物薄膜，以改善其特性和性能。本应用说明利用热分析技术对有涂层和无涂层隔膜进行了表征。应用热重分析（TGA）确定隔膜的稳定性、分解性和聚合物含量。 应用差示扫描量热法（DSC）确定熔化温度和结晶度。应用热机械分析（TMA）测量作为温度函数的尺寸变化，以确定收缩和破裂温度。 最后，应用动态机械分析（DMA）进行粘弹性实验以测量温度依赖性机械响应。

引言

隔膜是锂离子电池的关键部件，在实现离子交换的同时还充当阴极和阳极之间的屏障。这些多孔聚合物膜的特性会影响到电池的安全性、能量容量和生命周期。除电绝缘外，隔膜还必须具有良好的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性 [1]。常见的隔膜材料包括聚烯烃，如聚乙烯和聚丙烯，通常采用多层结构以提高其性能。用无机材料涂覆隔膜可进一步提高隔膜的机械和热学性能，但必须注意要确保涂层孔隙率，以允许进行离子传导。为隔膜涂层后，确认隔膜的性能是否符合预期非常重要。

电池隔膜的一个关键特性是熔融完整性，即熔点以上的机械坚固性。超过一定温度后，熔化将导致孔隙关闭，隔膜会变为一个绝缘层，因此会阻止或关闭离子传输[2]。至关重要的是，隔膜不能发生机械故障或破裂，以确保电极保持不接触状态，否则电池可能会出现热失控。可使用热机械分析仪（TMA）对电池隔膜的熔融完整性进行表征。其他重要的隔膜特性包括熔点、分解温度、结晶度和机械特性，如储能模量和杨氏模量。

本说明应用 TA457 [3] 中概述的工作流程对有涂层和无涂层隔膜进行了表征。除 TMA 外，还将利用差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）和动态机械分析（DMA）。

实验

无涂层和陶瓷涂层的聚乙烯（PE）隔膜由 SpectraPower 友情提供。无涂层样品的厚度为 0.01 毫米，有涂层样品的厚度为 0.02 毫米。

TGA 可研究电池隔膜的热稳定性和组成。对于该工作，使用了 TA Instruments Discovery TGA 5500 。将有涂层和无涂层样品切割成适合 TGA 铂金坩埚的形状，并在氮气吹扫下以 10°C/分钟的速率加热至 1000°C。 使用 Discovery 2500 DSC，通过热-冷-热实验对隔膜的熔点进行表征。 在氮气吹扫下，样品以 10°C/分钟的速率从 -50°C 加热到 250°C。

TMA 测量薄膜在线性温度斜坡期间处于恒定负载时的尺寸变化。在破裂点之前，将在样品中观察到一定程度的收缩。 使用 TA Instruments Discovery TMA 450确定有涂层和无涂层隔膜的熔融完整性。使用薄膜/纤维探针将 8 毫米长、2.6 毫米宽的样品保持在 0.01 N 的恒定张力下。 在 5°C 下平衡后，样品以 2°C/分钟的速度升温直至样品破裂。断裂被确定为发生在收缩开始后的最小温度点，重复测量三次，每次实验均使用新样品。记录有涂层和无涂层样品的收缩开始温度和破裂温度。

使用动态机械分析（DMA）测量隔膜的温度依赖性机械响应。在 TA Instruments Discovery DMA 850 上使用大应变、小应变和温度梯度对 5 毫米长、5.6 毫米宽的矩形样品进行测试。 所有样品都均从起始薄膜的加工方向进行制备。对于大应变斜坡，隔膜在 35°C 和 60°C 下应变，与 NASA/TM—2010-216099 [4] 类似。施加 0.001 N 的预加载力，并在施加 5%/分钟的应变斜坡前平衡温度 5 分钟。从 0.5% 到 450% 进行样品应变，进行三次重复样品测量。在 35°C 下进行小应变斜坡实验以获得杨氏模量。以 0.01 N 预加载样品，在温度下平衡 5 分钟，然后以 1%/分钟的速度上升。0.05% 以下的应变值被用来计算杨氏模量。进行温度斜坡以确定隔膜的储能模量和损耗模量。使用 0.1 N 的初始预加载力和 150% 的力轨迹值使样品保持紧绷。以 1 Hz 的频率以 3°C/分钟的速度从 -10°C 到 120°C 施加 0.1% 的应变。

结果和讨论

结论

电池隔膜在锂离子电池的性能（包括防止热失控）中起着至关重要的作用。这些多孔薄膜通常为聚合物，制造商可应用无机涂层来提高薄膜的热机械性能。在本说明中，使用一套 TA Instruments 分析仪对含有和不含有无机涂层的聚乙烯隔膜进行了表征：

• Discovery TGA 确定了无涂层和有涂层隔膜的热稳定性和成分含量。 有涂层隔膜含 37% 的聚乙烯和约 6% 的粘合剂，涂层占隔膜的 50% 以上。
• Discovery DSC 进一步分析了隔膜的熔化和结晶度。熔化焓被用来确定聚乙烯的结晶度。根据 TGA 测量的聚乙烯含量，发现涂层隔膜中聚乙烯含量的熔化焓，并用于直接比较两种隔膜的聚合物结晶度。
• Discovery TMA 对有涂层和无涂层隔膜的熔融完整性进行了表征。结果表明，该方法具有可重复性，可确保结果的可信度。对于所研究的材料，在开始收缩和断裂的温度方面几乎未观察到差异，表明熔融完整性主要由聚乙烯决定。
• 应用 Discovery DMA 对热机械稳定性进行了表征。研究中测定了隔膜的储能模量、损耗模量和杨氏模量。结果表明，在较高温度下，有涂层隔膜的稳定性优于无涂层隔膜。

参考文献

1. W. Luo, S. Cheng, M. Wu, X. Zhang, D. Yang and X. Rui, “A review of advanced separators for rechargeable batteries,” vol. 509, 2021.
2. P. Arora and Z. Zhang, “Battery Separators,” Chemical Reviews, vol. 104, no. 10, pp. 4419-4462, 2004.
3. J. Browne, “TA457 Thermal Analysis of Battery Separator Film”.
4. R Baldwin, W. Bennet, E. Wong, M. Lewton, M. Harris, “Battery Separator Characterization and Evaluation Procedures for NASA’s Advanced Lithium Ion Batteries,” NASA, Cleveland, 2010.
5. R. L. Blaine, “TN048- Polymer Heats of Fusion”.
6. I. Groves, T. Lever and N. Hawkins, “TA123- Determination of Polymer Crystallinity by DSC”.
7. Y. Men, J. Rieger, H.-F. Endeler and D. Lilge, “Mechanical α-Process in Polyethylene,” Macromolecules, vol. 36, pp. 4689-4691, 2003.

致谢

本文由 TA Instruments 的 Jennifer Vail 博士撰写，数据由 Andrew Janisse 博士、Kimberly Dennis 博士和 Hang Lau 博士收集。

TA Instruments 长期以来一直是调制热分析领域公认的创新者和领导者。

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对电池电极浆料进行流变和热重表征以优化制造工艺

关键词：电池、电极、热分析、TGA、流变、浆料、制造、质量控制

TA458

摘要

制造锂离子电池的电极是一个复杂的多步骤过程，可通过浆料分析和表征对其进行优化。工艺优化需要全面了解浆料的混合、涂层和干燥条件。在本应用说明中，使用 TA Discovery HR 旋转流变仪测量与涂层速度相关的不同剪切速率下的浆料粘度，以促进对涂层步骤的优化。使用 Discovery TGA 研究干燥动力学以获得最具成本效益的条件。还使用 TGA 确定粘结剂和添加剂的含量，以用于电极的质量控制。

引言

电极质量直接影响到锂离子电池（LIB）的能量密度和电化学性能。电极制造非常复杂，包括将阴极或阳极活性材料、粘合剂/添加剂和溶剂混合成浆料并涂层到金属收集器上，然后干燥以除去溶剂并压延（压实）电极 (1)。为获得高质量的电极并降低生产成本，优化电极加工步骤至关重要 (2) (3)。

涂层和干燥过程会显著影响电极的质量，进而影响电池的性能。浆料的可变特性（如聚集体尺寸、颗粒形状和年龄依赖性）影响到浆料粘度和涂层行为。如果浆料粘度过高，可能难以泵送和均匀涂抹浆料。较低的粘度对于提高涂层速度是适宜的，但如果粘度过低，可能会导致滴落问题并可导致涂层厚度不均匀 (2)。分析浆料粘度在不同剪切条件下的流动行为有助于优化涂层工艺性能，对研究电极浆料的稳定性和加工性能非常重要。

将浆料涂在收集器上后，就必须将溶剂从薄膜上蒸发掉。电极干燥是一个复杂的过程，存在三个相互竞争的物理过程：溶剂蒸发、粘合剂扩散和颗粒沉降 (2)。改变干燥温度或干燥时间将产生电极结构和电化学性能的差异。在不同温度下进行干燥并测量浆料的干燥动力学可确定最有效的干燥条件。涂层干燥后，通过有效评估粘合剂和添加剂含量来检查产品质量非常重要。

本应用说明展示了通过确定浆料涂层的理想粘度和干燥电极的最佳参数来优化电极涂层的工作流程。 最后，通过评估粘合剂和添加剂含量来评估所产生的干电极的质量。使用的样品为阳极电极，活性材料为石墨、炭黑、羧甲基纤维素（CMC）和丁苯橡胶（SBR）。

应用优势

• 电极浆料配制、涂层和干燥过程会对电极制造的质量产生重大影响。
• TA Instruments Discovery HR-30流变仪可灵敏评估浆料粘度，以指导电池电极制造过程中对浆料加工条件的选择。
• HR-30 流变仪测量与剪切率相关的浆料粘度，以优化涂层工艺。
• Discovery TGA 5500 配备密封盘冲头，可准确可靠地测量浆料在不同温度下的干燥时间，以优化干燥过程。
• TGA 测量粘结剂和添加剂的含量，以确保成分均匀，并提供可判定合格/不合格功能的质量控制。

实验

结果和讨论

用于质量控制的合格/不合格功能

在电极制造质量控制中，必须立即做出合格或不合格的决定，以确保电极质量并满足生产需要。TRIOS 软件的合格/不合格功能可帮助操作人员解读数据，更快地做出合格或不合格的决定。合格/不合格选项确定分析结果是通过还是未通过用户定义的参数值。该参数可定义为最小值/最大值、值 ± % 容差，或值 ± 容差。图 4 提供了有关失重百分比的合格/不合格设置的示例，该值位于最小值和最大值（1.8 和 2.0）之间。当结果位于最小和最大值范围内时，分析将在图上标记 “合格”印章，当值超出范围时，则标记 “不合格 “印章。TRIOS 的合格/不合格功能可快速确定质量控制的合格/不合格结论。

结论

需要提高电极制造产量并降低生产成本以满足对锂离子电池的高需求。TA Instruments 旋转流变仪和 TGA 提供了基本的表征工作流程，以优化具有成本效益的电极制造。Discovery HR-30 流变仪和 Discovery 5500 TGA 的商业优势包括：

• Discovery RH-30 流变仪可在很大的剪切率范围内测量电极浆料的流动粘度。该技术对于指导涂层工艺至关重要。
• Discovery TGA 研究各种干燥温度下的干燥动力学，可指导并优化最具成本效益的干燥条件。
• TGA 上的密封盘冲头系统可防止溶剂蒸发，因此可准确可靠地测量浆料干燥情况。
• Discovery TGA 上的高灵敏度微量天平可测量单层电极上的粘合剂和添加剂含量，以确保成份均匀并可用于质量控制。
• TRIOS 软件中的合格/不合格功能为制造中的质量控制提供了快速的合格/不合格决策。

参考文献

1. Reynolds, Carl D., et al. A review of metrology in lithium-ion electrode coating processes. 2021, Materials & Design, p. 109971.
2. Hawley, Blake W. and Li, Jianlin. Electrode manufacturing for lithium-ion batteries—Analysis of current and next generation processing. 2019, Journal of Energy Storage, p. 100862.
3. Hawley, Blake W. and Li, Jianlin. Beneficial rheological properties of lithium-ion battery cathode slurries from elevated mixing and coating temperatures. 2019, Journal of Energy Storage, p. 100994.
4. Chen, Terri and Lau, Hang Kuen. Rheological Evaluation of Battery Slurries with Different Graphite Particle Size and Shape. TA Applications Note, 2022. RH119.
5. Ouyang, Lixia, et al. The effect of solid content on the rheological properties and microstructures of a Li-ion battery cathode slurry. 2020, RCS Advances, pp. 19360-19370.
6. Bryntesen, Silje Nornes, et al. Opportunities for the State-of-the-Art Production of LIB Electrodes – A Review. Energies, 2021, Vol. 14. 1406.
7. Kinetics of Drying by Thermogravimetric Analysis. Vol. Thermal Analysis Application Brief. TA 134.

致谢

本说明由 Hang Kuen Lau 和 Terri Chen 撰写，由 TA Instruments 的 Nikki Szymurski 和 Jennifer Vail 编辑。

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