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電解液是鋰離子電池研發的核心部分，不僅是保證離子傳輸的重要媒介，也是電池獲得高電壓、高比能的重要基礎。電解液相關參數及對極片和隔膜的浸潤性直接影響電池性能的發揮。其中電解液在極片中的浸潤效果與極片本身的壓實密度、孔隙大小、孔隙率等參數緊密相關，電解液在極片中的浸潤情況評估可作為極片層級工藝優化的關鍵性指標，又可為高性能電池研發提供新的方向；同樣作為鋰離子電池主材之一的隔膜，其對電解液浸潤情況的優劣，也是影響電池性能的關鍵性指標，因此，開發一種能夠有效評估正負極極片及隔膜電解液浸潤性的設備是十分必要的。
圖1.毛細管浸潤法&傳統浸潤測試方法原理示意圖
傳統電解液浸潤性測試方法一般包括接觸角測量法、浸潤時間法、浸潤高度法等，其中接觸角測量法是將電解液滴加到極片或隔膜的表面，根據電解液和極片或隔膜的接觸角來判斷其電解液的浸潤性，這種方法在測試時電解液在極片或隔膜表面的鋪展速度較快，通常測試需要配備高速攝像儀器，整體測試成本和難度較高，且電解液在極片或隔膜上完全浸潤時間以及浸潤速度難以考察；浸潤時間法通常是取一定量的電解液滴加于極片表面，測試電解液完全滲透時間的長短，以時間差異評估極片的電解液浸潤差異；而浸潤高度法是將固定尺寸的極片完全浸入或一端浸入電解液中，根據一定時間內極片中浸入電解液的質量來評估極片的電解液浸潤性能；這些傳統的測試方法均存在重復性差，無法準確評估電解液的真實浸潤情況。
為解決傳統測試方法的局限性，元能科技（廈門）有限公司研發團隊基于電解液在極片及隔膜中的毛細擴散原理，采用毛細管浸潤法，搭載高精度力學控制系統及視覺采集系統，開發了一套電解液浸潤測試系統（Electrolyte Electrolyte Wetting，EWS1100 ），可量化評估電解液在不同正負極極片及隔膜間的浸潤差異，為電解液浸潤評估提供了一種有效手段，圖1為毛細管浸潤法與傳統浸潤測試方法的原理示意圖。在毛細管內注入電解液，毛細玻璃管與極片表面垂直接觸后，隨著電解液不斷浸潤涂層，毛細管液面不斷降低。視覺識別系統實時記錄毛細管液面高度，液面高度的動態演變過程就是電解液浸潤實時過程，高度變化量即電解液的浸潤量。
本文主要基于毛細管浸潤測試系統，結合不同壓實密度的負極極片進行系統化測試，評估不同壓實密度下極片的浸潤性差異。
實驗設備與測試方法
01 實驗設備
型號EWS1100（IEST元能科技），設備外觀如圖2所示。
圖2. EWS1100設備外觀圖
02 樣品制備與測試
2.1 樣品制備
將同一工藝配方條件下的漿料統一涂布后，我們分別采用小、中、大等不同的壓力進行輥壓，獲得1/2/3/4共四種壓實的成品負極極片，其中極片輥壓的壓力為1＜2＜3＜4。采用裁片-測厚-稱重的方式分別計算四種極片的壓實密，其壓實密度大小同樣呈現1（1.35g/cm3）＜2（1.5 g/cm3）＜3（1.6 g/cm3）＜4（1.65 g/cm3），即隨著輥壓壓力的增大，壓實密度也呈現增大趨勢。
2.2 測試流程
待測樣品預處理→樣品標準化固定→設備聯機及軟件參數設計→毛細管自動化吸液→毛細管自動化下壓測試→視覺識別系統實時監控毛細管液面高度→數據采集及處理。
2.3 不同壓實密度極片的電解液浸潤性測試
結合EWS1100設備，分別進行極片1/2/3/4的毛細管浸潤性測試，對比不同極片間的浸潤差異。
不同壓實密度極片的浸潤性測試分析
極片的電解液浸潤性與極片的孔隙率息息相關，通過材料的粒徑及分布、顆粒形貌及壓實密度可以有效調整材料的孔隙率及空隙分布，進而直接影響其電解液浸潤性。研究表明，壓實密度越大，孔隙率越低，最頻空隙直徑越小。壓實密度大小直接影響電池的容量，當前結合到材料端，提高電池容量的方法主要有兩種：一種是提高單位質量活性物質的容量，二是提高單位體積材料的壓實密度。而壓實密度通常要結合電池工藝情況進行綜合評估，壓實密度越大，活性物質充填量越多，電池的體積比容量越大，但實際電芯工藝研發中并非壓實密度越大電池性能越好，研究表明壓實密度過大會造成電池的離子導通能力、循環性能、倍率放電性能變差等。其中，離子導通能力與極片的電解液浸潤性直接相關聯，本文主要結合毛細管浸潤法評估不同壓實密度極片的電解液浸潤性能差異。
圖3為四種不同壓實密度極片的電解液浸潤曲線，從曲線上看，隨著壓實密度的增大，極片的電解液浸潤性曲線斜率逐漸減小，即壓實密度越大，浸潤性越差，這與已報到的研究一致；圖4為不同時間點下，極片電解液浸潤量隨壓實密度的變化關系曲線，由圖可知，50s、60s、100s浸潤時間下，不同極片在各時間點下的浸潤量均隨著壓實密度的增大而呈現降低趨勢，且極片的浸潤性均隨壓實密度的增大呈現較好的線性關系，但線性斜率變化會隨著浸潤時間的延長而增大。實際正負極極片均為多孔結構，也可以視為不同孔隙的毛細管結構，電解液在極片中的浸潤過程，可以理解為毛細管吸收效應。通常用Lucas - Washburn滲透模型用來描述極片毛細效應吸液的動力學，如公式(1)–所示，其中h為吸液高度，t為吸液時間， c為不同空隙毛細管對應的形狀系數，r為毛細管半徑，cr為定值，稱為形式半徑，σ為液體的表面張力，η為液體粘度。Washburn方程能較好的描述液體水平傳導和垂直傳導時，傳導距離和傳導時間的關系，結合圖3&圖4的結果可以進一步明確，電解液在極片中的浸潤也包含垂直方向的浸潤和水平方向上的擴散傳導，從不同時間點下隨壓實密度浸潤斜率趨勢上看，浸潤時間越長，隨壓密變化斜率越大。由于電極的長度L和寬度W都比其厚度B大得多，因此認為浸潤過程是純徑向吸收。即樣品厚度的影響可以忽略，濕潤邊界線的傳播在整個電極厚度上是均勻的。不同壓實密度的電極孔隙率不同，可吸收的電解液量也不相同，隨著浸潤時間增加，壓實密度的影響更加顯著。
圖3.不同壓實密度極片的電解液浸潤曲線
圖4.不同時間點下極片的電解液浸潤量隨壓實密度的變化曲線
表1為不同壓密極片在不同時間下的電解液浸潤重復性測試匯總表，其中每個樣品重復性測試4組，分別計算均值、標準偏差和變異系數，從偏差數值上看，每類極片的測試結果的標準偏差均小于0.15，變異系數COV均控制在10%以內的水平，可進一步說明該方法測試的準確性及有效性。
表1.不同極片在不同時間下的電解液浸潤結果匯總表
總結
本文采用創造性解決方案——毛細管浸潤法進行了不同壓實密度極片的電解液浸潤性能評估，從結果上看各極片的浸潤差異能夠被有效區分，且與已報到研究結果相一致，可以作為極片層級浸潤性評估的有效手段。而且該方法克服了傳統潤濕平衡法的局限性，能更好地理解多孔電極中電解液的遷移，因此有助于優化電解液的組成和電極的微觀結構設計，以實現快速、完全的潤濕，降低電池生產成本，提高產品質量。
參考文獻
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