01丨背景介绍

电池在现代生活中无处不在，我们对它们的依赖程度也达到了前所未有的高度。因此，通过制造控制确保最佳电池性能越来越重要。

生产电池材料时控制颗粒尺寸很重要，石墨电极中碳微观结构对电池性能的影响形状也是需要考虑和控制的重要因素，因为不规则形状的颗粒不仅会降低堆积密度，而且会导致形成高粘度的电极浆料。

02丨电极组成

图1给出了电池电极的典型结构，通常将悬浮颗粒浆料涂覆在金属箔上制成电极。浆料由电极颗粒（阳极或阴极）、辅助导电的碳颗粒和粘合剂材料（溶剂和聚合物）组成。浆液中的颗粒浓度很高，占总重量的20-40%。因此，颗粒特性对所得浆料的物理特性有重大影响。

图1.锂离子电池典型结构

03丨颗粒特性和浆料粘度

浆料的粘度、分散性、浓度和压实性是浆料能否有效应用的重要参数。高粘度浆料会导致涂覆过程困难，且分散性不好会导致膜均匀性差；浆料的浓度和压实性控制膜的密度。涂层厚度的均匀性和层密度对于控制电池的离子传输速率和寿命（再充电周期时间）至关重要，而控制层厚度则可以生产更小的电池。

如图2所示，由于粒子摩擦和相互连接的影响增加，流体绕过粒子所需的额外流动能量，大量不规则形状粒子的存在会导致浆料粘度增加。

图2.不规则形状颗粒的连接和摩擦导致高粘度

粒子形状还会影响堆积密度，因为不规则粒子的堆积效率低于球形粒子。因此，如图3所示，在粘度开始增加之前，可以向液体中添加的粒子数量会减少。此外，在相同浓度下，多分散样品比单分散样品堆积得更有效，这将降低粘度。然而，较小的不规则粒子可能由于表面积较大而增加粘度，这会加剧粒子间以及粒子与液体之间的相互作用。因此，重要的是能够监测和控制电极材料样品中不规则形状粒子和细粒的比例，以最小化粘度。

图3.颗粒形状对粘度的影响

04丨应用案例

本案例研究了两种类型的碳材料作为碳电极材料的情况：一种天然的碳A，另一种是人工合成的碳B。这两种材料都与相同的粘合剂（NMP中质量为2.5%的PVDF）结合，形成浓度为22%（质量百分比）的两种浆料。

图4显示，PVDF加入到NMP中，相对于NMP本身，粘度增加了一个数量级(约20倍)，粘度在很大程度上不受剪切速率的影响（牛顿行为）。

图4.含有碳A（自然产生）的浆料粘度比碳B（合成生产）高得多

炭黑的加入进一步增加了粘度，得到的浆料均表现出剪切速率依赖性（非牛顿行为）。在低剪切速率和高剪切速率下，碳A制成的浆料的粘度比碳B高得多，这可能会增加静沉降的阻力（低剪切过程），并导致涂层上的电极膜更厚（高剪切过程）。更高的粘度也可能使涂层过程更难控制，潜在地导致不均匀的涂层和可变的层密度，这反过来导致可变的离子转移速率和电池寿命（和充电周期时间）。

图5.天然碳(红色)和合成碳(绿色)的尺寸分布

此外，我们发现，虽然两种样品的长宽比相差不大，但通过比较圆度，可以发现合成碳材料碳B的圆度比天然来源的碳A的圆度要高，如图7所示，图8所示的颗粒图像证实了这一点。

图6.合成碳（绿色）比天然碳材料（红色）更圆，长宽比差异不大

图7.颗粒图像显示了颗粒形状的差异

两种碳基电极材料在制成浆料时表现出截然不同的粘度，导致在电池制造过程中具有不同的应用行为。使用马尔文帕纳科粒径粒形自动分析仪，能证明天然来源的碳含有更高比例的小颗粒和不规则颗粒。因此，当分散成浆料时，天然来源的碳会产生更高的粘度和更低的填充率。