應用案例 | 用表界面分析方法提升電池充電速度

研究背景

在任何大規模生產過程中，時間和成本效率都是密切相關的。但是，在機器化大生產領域，時間往往是關鍵，而高容量鋰離子電池的制造商則必須在 不同的維度上應對時間問題。填充一個電池的電解液可能需要許多小時--這是工藝鏈中一個惱人的瓶頸。因此，電池開發商迫切地尋找加快這一工藝的方法。

由于電極材料的特殊性，填充電池的等待時間較長。多孔層必須被電解液滲透，以確保質量和電荷傳輸。這需要多長時間，取決于材料的化學成分、層的厚度和密度，以及電解液的潤濕性。因此，有些地方需要進行干預--是借助提前測量潤濕率的方法，而不是在電池中進行電化學測量。

電解液需要很長的時間才能滲透到電極材料內部的所有孔隙

用Washburn法監測潤濕性

在Washburn這個名字的背后，隱藏著一種優雅的測量潤濕速度的方法。精密的力學傳感器可以檢測多孔樣品中液體隨時間上升而引起的質量增加。基于由此產生的潤濕速度K，不同的電極材料甚至在電池中使用之前就可以相互比較。例如，該方法可用于確定漿料中炭黑的比例。

Washburn測量中時間質量增加的研究進展

研究結果還表明，電極潤濕性如何受到涂層工藝（壓延）參數的影響。[1] 原則上，可以研究影響潤濕時間的所有可能因素，從而進行優化。

Washburn法揭示的濕潤率對壓延工藝的依賴性[1]。

電解液表面張力的作用

潤濕始終是兩種組分之間的一個過程，當然電解液的性質也會影響填充時間。表面張力（SFT）越低，潤濕速度越快，這就是為什么表面活性物質（表面活性劑）經常添加到電解液中。張力測量--可使用與Washburn法測量所用的相同儀器進行--可快速獲得SFT和添加劑效果的結果。

極性與潤濕性的關系

如果我們剛剛談到SFT和濕潤之間的直接關系，這僅僅是故事的一半。主導潤濕的界面化學相互作用也取決于電解質和電極材料的極性。借助于更深入的研究，可以根據接觸角和電極材料的表面自由能（SFE）更精確地記錄這些相互作用。某種程度上更大的努力是值得的。例如，根據表面自由能及其極性部分，可以計算出電解質或電極材料的哪些特性會導致最佳的潤濕。與其用試錯法進行研究，不如根據有意義的結果參數，有針對性地優化潤濕。

借助擴散系數尋求電極與電解液的匹配

[1] Sheng, Yangping: Investigation of Electrolyte Wetting in Lithium Ion Batteries: Effects of Electrode Pore Structures and Solution. Theses and Dissertations 1080 (2015).