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锂离子电池分散剂

电池分散剂用于电池制造过程的各个阶段,可以优化加工浆料的粘度,使其更容易处理、加快加工速度,并可增加电极中导电碳黑的分布。这样既可保持电池容量,又提高了电化学稳定性。

禾大的HypermerTM Volt品牌电池浆料分散剂有助于优化加工浆料的流变性。 

禾大是化学合成方面的专家,用基础的合成方法研发出新型分散剂,旨在更高的充放电速率下提高容量保持率,同时防止电池退化。 

Battery for an electric vehicle

为什么使用导电碳黑和碳纳米管分散剂? 


为制造过程带来的益处

在电极生产阶段,分散剂有助于稳定导电碳在溶剂中的分散体;可以降低浆液的粘度,从而增加固含量并减少溶剂的使用量。

为电池性能带来的益处

在电极中,分散剂有助于使碳颗粒分布更加均匀,从而形成一个碳网,提高了导电性。这样可以减少电池内阻,促进改善电子传输。因此,电池的阴极退化速度较慢,使用寿命更长,在高充放电率下提高容量保持率。 

不同粒径、结构和孔隙度的各种碳黑材料均可采用,但所有的碳材料必须均匀地分布在电极浆料中,以优化电子流。通过扫描电子显微镜(SEM)的显微照片,根据经验观察碳黑的分布。如果碳黑导电剂在电极浆液中的分布不均匀,那么对于最终的电池来说,其初始电池容量、电池容量保持率和电池寿命都会受到不良影响。 

图1:阴极横截面的SEM图像,显示活性材料(浅灰色)被导电碳层(深灰色)包围

改善粘度

我们采用多种不同的剪切率来研究Hypermer Volt 4000对碳黑分散体的流变性能的影响。该研究是在五种常见的电池级导电碳黑上进行,碳颗粒大小和表面积各不相同。

我们采用的测试仪器为平行板型流变仪,样品为重量比1%的Hypermer Volt 4000和重量比5%的碳黑的N-甲基-2-吡咯烷酮溶液(NMP)。在实际应用中,碳黑分散体的粘度可以通过Hypermer Volt 4000来调整。

虽然碳黑的表面积和粒径存在很大差异,但Hypermer Volt 4000在许多市售的电池级导电碳的分散体中都表现出很好的降粘性能。

图2:五种电池级导电碳的分散情况(使用和不使用Hypermer Volt 4000进行分散)
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数据表:HypermerTM Volt 4000

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白皮书:评估HypermerTM Volt 4000

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查看我们的电池分散剂

降低碳黑浆料的粘度

碳黑在NMP中的粘度降低。碳黑浆液可用于配制和制造电池电极。在此视频中,我们向您展示产品Hypermer Volt 4000。
 

电化学性能

对Hypermer Volt 4000在以下方面的作用进行研究:

  • 放电率能力
  • 阴极的电阻
  • 电化学稳定性

关于完整的实验条件和结果,请详见我们的白皮书,您可以在页面顶端登录并下载。

提高放电速率

采用LCO、NMC622、NMC811和LFP阴极的半电池的放电容量与放电率的关系如下所示。

在阴极配方中使用Hypermer Volt 4000会产生更高的放电容量,我们在所有测试的阴极化学品中均能观察到这种效果。在较高的放电速率下,Hypermer Volt 4000与LCO和NMC622的组合使用效果更佳。

图3:放电率容量与C-速率的关系

串联和电荷传输电阻

下面的图4展示的是,使用Hypermer Volt 4000、PVP和无分散剂的阴极在金属锂阳极半电池中获得的阻抗结果。该谱图包含典型的特征:由法拉第阻抗引起的弧线和由锂扩散引起的直线。 

以Hypermer Volt 4000的阴极为例得到拟合结果,有关串联电阻和电荷传输电阻计算结果,请下载查看完整的测试文件。

使用Hypermer Volt 4000后,串联电阻得到明显改善。这一观察结果间接说明,Hypermer Volt 4000使碳黑的分布更加均匀,复合阴极结构中的电子导电网络更加有效。与空白样品相比,Hypermer Volt 4000可使电荷传输电阻更高,但与含PVP的样品相比,电荷传输电阻降低。

图4:不含分散剂、Hypermer Volt 4000和PVP的NMC622阴极获得的阻抗谱图。

循环伏安法

我们用循环伏安法对Hypermer Volt 4000与高压阴极结合的电化学稳定性进行评估,证明在更宽泛的电位范围内,Hypermer Volt 4000的稳定性优于工业标准PVP(PVP为4.2V vs Li)。有实验证明,有机成分的电氧化会导致电阻增加,且电池容量加速退化。

参照阴极(无分散剂)和使用Hypermer Volt 4000和PVP的阴极得到的结果如下图5所示。结果显示,所有样品中,对应于镍的氧化状态的变化的阳极峰和阴极峰的情况均非常相似。除了这些主要特征外,使用PVP制备的阴极在第一次阳极扫描时,我们观察到明显的氧化峰,这是由于加入了PVP后,不可逆的氧化过程中产生的电流造成的,众所周知,PVP在4.2V以上条件下是不稳定的。Hypermer Volt 4000在第一次阳极扫描时未出现氧化电流,或氧化电流更小,这意味着与PVP相比,Hypermer Volt 4000具有更好的电化学稳定性。

在阳极扫描过程中,Hypermer Volt 4000未出现(或微不足道的)氧化电流。含有PVP的阴极在4.25V vs Li/Li+时检测到明显的氧化电流。这些数据表明,Hypermer Volt 4000在宽泛的电位范围内具有更好的电化学稳定性。

图5:采用循环伏安法对含有分散剂添加剂的电池和空白比照品进行评估。

总结

Hypermer Volt 4000是一种有效用于阴极浆料的碳黑分散剂,能够:  

  • 降低阴极浆液的粘度,便于加工
  • 在充放电过程中,在高充电率下可保持容量
  • 与不含分散剂或PVP的电池相比,Hypermer Volt 4000可降低电池电阻
  • 与PVP相比,Hypermer Volt 4000可提高电化学稳定性,特别适合高电压条件

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