4
當前位置：賽默飛世爾科技智能制造與過程分析>>技術文章>>HAAKE MARS | 解密鋰電池負極漿料中的石墨粉體流變學
HAAKE MARS | 解密鋰電池負極漿料中的石墨粉體流變學
鋰電池負極最常用的活性材料是石墨，其粒徑、形貌、比表面積、石墨化度、振實密度等除了影響鋰電池性能外，還會讓石墨粉體表現出不同的粉體流動性質。如球形石墨和鱗片狀石墨就會有不同的堆積及流動摩擦方式。
粉體的流動性會影響粉體是否能很好地混合分散并形成漿料。
如當粉末具有較高的內聚力時，在儲存過程中可能會形成團塊，從而導致漿料不均勻。
這些顆粒團塊可能會在負極涂層中造成缺陷，進而影響電池性能。
對于制造商而言，能夠迅速檢測石墨粉體的流動特性以優化漿料處理過程是非常重要的。
ThermoFisher Scientific™ HAAKE™ MARS™流變儀，提供了一款適配粉體測試的附件，可對粉體進行符合ASTM D 7891的標準化測量（圖1）。
圖1.HAAKE MARS iQ流變儀的粉體流變裝置
（點擊圖片查看產品詳情及索取報價）
我們以三種不同粒徑和形貌的石墨粉體（表1）為例，進行了粉體壓縮、流動和剪切測試來表征其流動行為與粒徑、形貌的關系。
表1.三種石墨粉體的粒徑與形貌
案例分析
01
石墨粉體的壓縮測試
對預處理后的三種石墨粉體施加一系列軸向力，測量其壓縮率，結果如圖2。10μm（球形）和13μm（鱗片）壓縮率明顯高于50μm（鱗片），這是因為粉體粒徑小，堆積密度低，更蓬松，存在更大的可壓縮空間。10μm（球形）和13μm（鱗片）的壓縮率接近，表明顆粒形貌對壓縮率的影響不大。因此，在固結操作中 (例如，長期存儲或壓片) ，粒徑對于粉體流動性的影響更大。
圖2.三種石墨粉體的壓縮測試結果圖 （點擊查看大圖）
02
石墨粉體的流動測試
通過記錄粉體對槳葉轉子螺旋運動的阻力，得到三種石墨粉體的流動曲線如圖3。使用HAAKE Rheowin粉體專用軟件計算出基礎流動能（BFE）、比能（SE）、預處理松裝密度（CBD）等參數（表2）。
圖3.三種石墨粉體的流動曲線（點擊查看大圖）
表2.三種石墨粉體的流動結果分析
50μm（鱗片）表現出明顯更高的CBD和BFE，更低的SE。CBD高，代表其在松散堆積時可能流動性最好，因為大尺寸顆粒或高密度材料的粉體在松散堆積時作用其上的重力比較大。BFE主要受堆積行為的影響，粉體堆積密度越高，其在類似攪拌等動態流動過程中產生的阻力越大。SE可表征粉體顆粒間的機械咬合和摩擦的程度，50μm（鱗片）粉體的低SE值說明其顆粒能被很好地分散且不容易粘結和團聚。
10μm（球形）和13μm（鱗片）流動參數基本一致，說明形貌的差異對流動能力的影響較小。所以在動態、低應力的應用中 (例如混合、進料和輸送)，粒徑是影響粉體行為最重要的因素。
03
石墨粉體剪切測試
應用粉體剪切池法可評價中到高應力水平下的固結粉體特性，可得到包括：
固結粉體屈服軌跡
有效內摩擦角（eAIF）
無約束屈服應力（UYS）
最大主應力（MPS）及流動函數(FF) 等粉體流動性參數
粉體剪切池法已成功應用于確定物料料斗和料倉的臨界尺寸。
三種石墨粉體的屈服軌跡如圖4。使用HAAKE Rheowin粉體專用軟件計算得到其剪切流動參數（表3）。
圖4.三種石墨粉體的屈服軌跡（點擊查看大圖）
表3.三種石墨粉體的剪切流動參數
MPS代表粉體層破壞的臨界力；UYS是粉體流動的臨界力；內聚力越大，粉體更可能出現團聚；eAIF表示粉體層之間的摩擦力，其值越小，流動性就越好。50μm（鱗片）的以上參數都最小，代表其流動所需力最小，團聚可能性最弱。而13μm（鱗片）由于其較小的粒徑，更易堆疊的形貌（相較于球形），更容易出現團聚行為，所以其內聚力最大，需要更大的力使其發生流動。
FF可直接用于區分粉體的流動能力（表4），50μm（鱗片）的FF最大，表明粒徑增大提高了流動性。10μm（球形）流動函數次之，表明球形提高了顆粒的均勻度，也有利于提高流動性。
表4.流動函數與粉體流動性的關系。
總結
石墨粉體的粒徑對壓縮性的影響最大。粒徑越大，可壓縮性越低。
在動態、低應力的應用中 (例如混合、進料和輸送），石墨粒徑是影響粉體行為最重要的因素。隨著粒徑的增加，顆粒之間的相互作用力變弱，團聚降低，顆粒能被很好地分散且不容易粘結和團聚。
在高應力應用中（料倉），石墨粒徑也是影響流動行為最重要的因素。隨著粒徑的增加，流動性提高。而在相同粒徑情況下，球形提高了顆粒形貌的均勻度，也有利于提高流動性。