鋰電池水系正極配方粘度特性研究及恒溫檢測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

胡 威 孫丹平 王 應(yīng)

（中航鋰電〈洛陽(yáng)〉有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

漿料粘度是流體重要的物理性質(zhì)及技術(shù)指標(biāo)之一，粘度的準(zhǔn)確測(cè)定在許多工業(yè)部門(mén)及科研生產(chǎn)領(lǐng)域有重要意義，特別是在石油化工、醫(yī)藥、冶金、紡織印染、食品等行業(yè)中[1]。漿料粘度通常是指液體內(nèi)部相互流動(dòng)所表現(xiàn)的內(nèi)摩擦[2]，粘度的大小與漿料的種類(lèi)、漿料濃度、漿料溫度等因素密切相關(guān)。目前粘度的測(cè)量有多種方法，如毛細(xì)管法、振動(dòng)法、落球法、旋轉(zhuǎn)法，其中旋轉(zhuǎn)法是應(yīng)用最廣泛的測(cè)量方法。旋轉(zhuǎn)法普遍采用NDJ系列旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，該粘度計(jì)可以在不同的切變速率下對(duì)同種漿料連續(xù)測(cè)量，廣泛用于測(cè)量牛頓型液體的絕對(duì)粘度、非牛頓液體的表觀粘度。

鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)普遍采用NDJ系列旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試漿料粘度。長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果表明，水系漿料粘度穩(wěn)定性較差（相對(duì)于油性體系），受溫度、測(cè)試時(shí)間及測(cè)試條件的影響較大，為獲得較準(zhǔn)確的粘度值，科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)，本文對(duì)某一配方正極漿料的粘度特性進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 常溫?cái)R置試驗(yàn)

取某一配方正極漿料約500ml，置于內(nèi)徑80mm的杯子中，放置于恒溫箱中，將溫度設(shè)置在25℃，使用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試漿料在靜置條件下粘度隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

圖1 正極漿料粘度隨靜置時(shí)間的變化趨勢(shì)（25℃）

該測(cè)試在無(wú)攪拌的情況下進(jìn)行，由測(cè)試結(jié)果可知，該配方漿料在溫度保持不變的情況下，粘度值隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)而變大，且在靜置初期的16分鐘內(nèi)粘度值增大最為明顯，由最初的7300mPa·S增大至10200mPa·S，增大比例為40%。而在隨后的12分鐘內(nèi)粘度值增大趨勢(shì)逐漸趨緩，由10200mPa·S增大至10600mPa·S，增大比例為3.9%。

2 升溫試驗(yàn)

圖2 正極漿料粘度隨溫度升高的變化趨勢(shì)

漿料粘度受溫度影響很大，一般情況下，漿料粘度隨溫度的升高而降低，取該配方漿料500ml，置于內(nèi)徑80mm的杯子中進(jìn)行水浴升溫，并適時(shí)測(cè)量漿料粘度隨溫度的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程用玻璃棒不停攪拌以加速熱擴(kuò)散。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，可以看出漿料粘度隨溫度的升高下降趨勢(shì)明顯：溫度從17.7℃升高至33.3℃，粘度從9000mPa·S降低至5800mPa·S，溫度平均每升高1℃，粘度降低約6.3%。另外從測(cè)試數(shù)據(jù)看，該配方正極漿料在從25℃升溫至28℃時(shí)粘度下降最快，平均每升高1℃，粘度降低約600mPa·S。

3 粘度恒溫檢測(cè)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐

通過(guò)以上的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以看出，水系正極漿料粘度的穩(wěn)定性較差，粘度值隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，隨溫度的升高而降低。在實(shí)際生產(chǎn)中，穩(wěn)定漿料粘度對(duì)涂布生產(chǎn)十分重要，因此，鋰電池生產(chǎn)企業(yè)一方面應(yīng)確保分散好的漿料及時(shí)用于涂布生產(chǎn)，避免長(zhǎng)時(shí)間存放造成粘度特性變化，另一方面，為消除溫度變化對(duì)粘度的影響，獲得較為準(zhǔn)確的表觀粘度值，必須盡量在恒定的溫度下測(cè)試，且確保該測(cè)試溫度與涂布生產(chǎn)控制溫度一致，只有這樣粘度測(cè)試數(shù)據(jù)才對(duì)生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。

為提高涂布生產(chǎn)質(zhì)量，涂布生產(chǎn)過(guò)程保持漿料溫度恒定十分必要。由于漿料粘度對(duì)溫度十分敏感，因此，需要建立對(duì)應(yīng)的漿料粘度恒溫檢測(cè)系統(tǒng)。NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)需將轉(zhuǎn)子沒(méi)入直徑不低于70mm高度不低于130mm的容器中，取樣量較大，約500ml，采用恒溫控溫槽對(duì)測(cè)試漿料進(jìn)行控溫，經(jīng)初步控溫試驗(yàn)證實(shí)：正極漿料在水浴中攪拌升溫，溫度由25℃升溫至29℃，漿料杯中各部位溫度很難穩(wěn)定，靠近杯壁處漿料溫度高于容器其他部位1～2℃左右，如果實(shí)現(xiàn)漿料溫度均勻穩(wěn)定，至少需要20～30min，如此長(zhǎng)的測(cè)試等待時(shí)間必然造成漿料粘度升高，延誤生產(chǎn)。

相比于NDJ系列旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，DV-T1粘度測(cè)試系統(tǒng)具有取樣量小（約16～20ml）、能實(shí)現(xiàn)精確控溫（±0.1℃）及在線檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，因此我們嘗試在更為先進(jìn)的DV-T1粘度恒溫檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)展恒溫粘度檢測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)踐。

3.1 DV-T1粘度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)分析

分別使用現(xiàn)有NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、DV-T1粘度溫控一體機(jī)、進(jìn)口博力飛DV-Ⅱ+ProEXTRA旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)分別對(duì)硅油標(biāo)準(zhǔn)油、食用植物油樣品進(jìn)行測(cè)試比對(duì)。結(jié)果見(jiàn)下表1。

表1 三種粘度測(cè)試系統(tǒng)比對(duì)

上表中分別使用三種粘度計(jì)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)硅油、植物油進(jìn)行粘度測(cè)試比對(duì)，可以看出使用DV-T1粘度溫控一體機(jī)和美國(guó)博力飛粘度計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)硅油，所得粘度值與標(biāo)準(zhǔn)值符合性很高，誤差分別為0.55%和0.15%（如圖1）；與NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)相比，兩種粘度計(jì)對(duì)植物油測(cè)試結(jié)果也十分接近。

圖3 DV-T1檢測(cè)硅油標(biāo)準(zhǔn)油粘度-溫度曲線（25℃）

圖3可知，DV-T1粘度測(cè)試系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)硅油的粘度長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)十分穩(wěn)定，測(cè)量誤差為0.55%。

用標(biāo)準(zhǔn)硅油對(duì)該粘度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，此設(shè)備重復(fù)性（EV）為 11.0%，在線性（AV）為 11.5%,有效區(qū)分?jǐn)?shù)（nd）為 6.9，均符合要求，證明該測(cè)量系統(tǒng)是可接受的。

3.2 漿料恒溫粘度測(cè)試

在驗(yàn)證該測(cè)量系統(tǒng)可以接受后，使用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)正極漿料進(jìn)行了恒溫在線檢測(cè)，將測(cè)試溫度設(shè)置為與涂布生產(chǎn)溫度一致。經(jīng)過(guò)多次取樣測(cè)量，粘度測(cè)試曲線在測(cè)試開(kāi)始的1min內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，漿料粘度值相對(duì)穩(wěn)定，如圖4所示。

由于水系漿料粘度值是時(shí)刻變化的，測(cè)量所得到的粘度值也只能是在某一特定的測(cè)量系統(tǒng)下，對(duì)應(yīng)某一時(shí)間、某一溫度下的表觀粘度值。因此對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)流體，在無(wú)法測(cè)得其絕對(duì)粘度的情況下，確定合理的粘度合格判定標(biāo)準(zhǔn)十分重要，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，該測(cè)量系統(tǒng)粘度恒溫測(cè)試的最佳讀數(shù)時(shí)間是1min，在此時(shí)間段內(nèi)，由于粘度值相對(duì)穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果具有可比性。

4 結(jié)論

（1）水系正極漿料在溫度保持不變的情況下（25℃），粘度值隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)而變大，且在靜置初期的16分鐘內(nèi)粘度值增大最為明顯，由最初的7300mPa·S增大至10200mPa·S，增大比例為40%。而在隨后的12分鐘內(nèi)粘度值增大趨勢(shì)逐漸趨緩。

（2）水系正極漿料粘度隨溫度的升高下降趨勢(shì)明顯：溫度從17.7℃升高至 33.3℃，粘度從 9000mPa·S 降低至 5800mPa·S，溫度平均每升高 1℃，粘度降低約 6.3%。

（3）DV-T1恒溫粘度測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)硅油標(biāo)準(zhǔn)油測(cè)試比對(duì)及測(cè)量系統(tǒng)分析，證明系統(tǒng)可以接受，對(duì)于水系漿料粘度恒溫測(cè)試，最佳的讀數(shù)時(shí)間為1min。

圖4 正極漿料恒溫粘度測(cè)試曲線

［1］高桂麗,李大勇,石德全.液體粘度測(cè)定方法及裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)述[J].化工自動(dòng)化及儀表,2006,32(2)：6570.

［2］顧培韻,潘勤敏.粘彈性流體流變特性的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),1994,28(1)：88-92.