CN101377459A - 测量电解液对电极材料的渗透能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量电解液对电极材料的渗透能力的方法，测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S，结合电极材料的压实密度ρ和厚度l，通过公式计算得到渗透能力值K。本发明方法所得结果直接反映了电解液对电极片的渗透能力，以及电解液和电极片之间的相互适配性，可作为电池设计的参考数据，便于对电极材料和电解液进行科学筛选和合理搭配。本发明方法步骤简单，操作方便。

Description

测量电解液对电极材料的渗透能力的方法

技术领域

本发明涉及借助于测定材料的物理性质来测试分析材料性能的方法，尤其是可直接反应电解液对电极材料的渗透能力的测量方法。

背景技术

相对于铅酸电池、镍氢电池和镍镉电池等传统的二次电池，锂离子电池具有不可比拟的优越性能和外形加工多样性，目前已经广泛应用于手机、笔记本电脑、PDA、摄像机、数码相机、移动DVD、MP3和MP4等移动电子终端设备中，同时锂离子电池也被用作电动工具和电动自行车的动力源。作为新一代绿色环保动力，锂离子电池发展迅猛，已成为国际电化学研究的热点领域之一。

市场需求的多样性对锂离子电池的电化学性能、安全、造型和体积等方面的特性提出了越来越高的要求，研发人员为满足使用需要而对锂离子电池进行着不断深入的研究。电解液是锂离子电池的重要组成部分之一，它直接决定着电池的循环寿命、安全性能、倍率放电特性、放电的平台时间和正负极的容量发挥等性能指标。因此，电解液是电池研发工作的重点。对于高容量体系锂离子电池，特别是体积比能量大于450Wh/L的铝壳电池，涂布于电极片上的正负极材料的压实密度较大、空隙率小，且现有结构设计中电池内部预留空间越来越小，这对电解液的注液过程造成了很大困难。因此，在不牺牲电解液的其它常规性能的前提下，要求电解液相对涂布于极片上的电极材料具有良好的渗透性，在研究和了解电解液对电极材料的渗透性的基础上，根据电池综合性能的需要对电极材料和电解液进行科学筛选和合理搭配。

关于电解液对电极材料的渗透性，目前锂离子电池制造商和电解液供应商所采用的评价方法是：空气环境下，在涂布有电极材料的电极片表面滴加碳酸丙烯酯(PC)，记录电极片吸收PC的时间。PC只是电解液的一种溶剂，而且并不是所有的电解液中都包含PC，PC的性质与电解液本身的性质相去甚远，相对于实际电解液，PC与电极片的界面性质、PC在电极材料表面的表面张力都完全不同。因此这种方法及其评价结果不能反应电解液与电极材料适配性的真实情况。高容量体系电解液对电极片的渗透性的评价也可以通过测定电解液的表面张力和黏度来进行。但是，因为锂离子电池电解液是非水体系，测定时要求环境水分含量在100ppm以下，加之电解液中的溶剂组分易于挥发，要求的测试条件非常严格，操作很复杂；由于电极片上的电极材料是几种原料的微小颗粒混合压制在一起，具有一定的孔隙率，表面张力的测定非常困难。采用这两种方法所得到的结果都没有直接反应电解液对电极材料的渗透性，不能直接指导电池的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可直接反应电解液对电极材料的渗透能力的测量方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种测量电解液对电极材料的渗透能力的方法，测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S，结合电极材料的压实密度ρ和厚度l，通过公式

$K=\frac{\mathrm{S\ρl}}{\mathrm{Vt}}=\left(\frac{\mathrm{\ρl}}{V}\right)\·\frac{S}{t}$ 计算得到渗透能力值K；

式中，K--电解液对电极材料的渗透能力；

      S--电解液在时间t内因渗透而形成于电极材料表面的印迹的面积；

      ρ--电极材料的压实密度；

      l--电极材料的厚度；

      V--渗透到电极材料中的电解液的体积；

      t--体积为V的电解液在电极材料中的渗透时间。

测量时，使定量电解液在压实密度为ρ、厚度为l的电极材料中渗透，读取或测算定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S，计算渗透能力值K。

测量对水和空气敏感的非水电解质电解液对电极材料的渗透能力时，测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程在干燥的密闭环境(如干燥手套箱中)中进行；优选的密闭环境的湿度低于1％。

对于水质电解液，测试环境没有特殊要求，测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程可在大气环境中进行。

测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程为：使定量电解液在电极材料上渗透，测定电解液因渗透而形成于电极材料表面的印迹扩至最大时的渗透面积S、自电解液与电极材料接触至电解液形成最大印迹所需的时间t。测量可以针对涂布于电极片上的电极材料进行，涂布于电极片上的电极材料的压实密度ρ、厚度l可以通过测定或涂布工艺参数得知。

使定量电解液在电极材料上渗透的过程可以为：在电极材料上滴加一滴已知体积的电解液，滴加过程中电解液滴落高度小于5mm，重复测定时电解液滴落高度保持一致。滴落高度太高则电解液液滴溅落的随机性对测量过程的重复一致性不利，可能会影响结果的客观性。

使定量电解液在电极材料上渗透的过程也可以为：将定量电解液集中滴加到电极材料上，滴加过程中电解液滴落高度小于5mm，重复测定时电解液滴落高度保持一致。

渗透面积S的测定方法为：对各向同性的电极材料，用刻度标尺对准电解液因渗透而形成于电极材料表面的圆形印迹，测定该圆形印迹扩散至最大时的半径，计算渗透面积S；对非各向同性的电极材料，电解液因渗透而形成于电极材料表面的印迹为非圆形形状，在厚度均匀的透明纸或其它介质上描出电解液因渗透而形成于电极材料表面的最大印迹，用方格法或称重法求出渗透面积S。

测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程还可以为：将装有定量电解液的滴液管竖立并使滴液管的出液口与电极材料表面接触，然后使电解液持续集中泄漏到电极材料上，读取定量电解液开始泄漏至全部被电极材料吸收的时间计为渗透时间t，对各向同性的电极材料，测定定量电解液全部被电极材料吸收时电解液所形成圆形印迹的半径，根据半径计算渗透面积S；对非各向同性的电极材料，在厚度均匀的透明纸或其它介质上描出电解液全部被电极材料吸收时形成于电极材料表面的印迹，用方格法或称重法求出渗透面积S。这里所说的电解液全部被电极材料吸收，是指视觉观察电极材料表面积液全部消失。

上述不同的测定渗透时间t和渗透面积S的过程都可以实施本发明方法。根据不同的测定渗透时间t和渗透面积S的过程所得到的K值可能是不同的，在重复测量和对比测量时，应选用同样的测定渗透时间t和渗透面积S的过程。

本发明的有益效果是：通过本发明方法得到的K值反映了电极材料的压实密度ρ、电极材料的厚度l对电解液在电极材料中渗透行为的影响，计算过程中所用的渗透面积S和渗透时间t是电解液在电极材料中渗透能力的直接体现，本发明方法所得结果直接反映了电解液对电极片的渗透能力，以及电解液和电极片之间的相互适配性，可作为电池设计的参考数据，便于对电极材料和电解液进行科学筛选和合理搭配。本发明方法步骤简单，操作方便。

附图说明

下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明作进一步的详细说明：

图1是实施本发明测量方法的一种装置的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一

借助图1所示测量装置可以实施本发明测量方法。

如图1所示，该装置包括敞口的池体1、透明的盖板2、滴液管3。池体1具有凹腔4，盖板2可覆盖在池体1上以将凹腔4封闭，盖板2和池体1之间采取紧密接触。盖板2上设有通孔，该通孔的径向尺寸和滴液管3下端的径向尺寸相适配，使得滴液管3下端插入该通孔后滴液管3下端与该通孔的孔壁之间保持紧密接触。滴液管3带有双通旋塞。工作时，先将涂布有本公司某型号正极材料的电极片置于凹腔4中，正极材料朝上，正极材料的压实密度ρ和厚度l可通过测算得知；然后将盖板2覆盖在池体1上使凹腔4封闭；在滴液管3中装入体积为V的各向同性电解液，滴液管3下端从盖板2上的通孔插入至与正极材料表面接触，滴液管3下端与该通孔的孔壁之间保持紧密接触；然后打开滴液管3的双通旋塞，电解液全部泄漏到正极材料上，电解液因渗透在正极材料中而在正极材料表面形成圆形印迹，该圆形印迹的圆心为滴液管3下端与正极材料表面的接触点，随着渗透过程的进行该圆形印迹不断扩大。用计时器计取电解液开始泄漏至全部被电极片吸收(视觉观察电极材料表面积液全部消失)的时间计为渗透时间t，测定渗透时间t内电解液形成于正极材料表面的圆形印迹的半径，根据半径计算圆形印迹的面积即渗透面积S，通过公式 $K=\frac{\mathrm{S\ρl}}{\mathrm{Vt}}=\left(\frac{\mathrm{\ρl}}{V}\right)\·\frac{S}{t},$ 计算得到渗透能力值K。测量在充有氩气的手套箱中进行。

在测量过程中，分别采用防过充功能电解液A、铝壳电池常用电解液B和高渗透性电解液C进行渗透试验，得到的结果见表一。

表一所示试验结果显示，不同电解液所表现出的渗透能力差别较大，该结果可以为电池中电解液的选择提供参考。

表一  不同电解液相对同种电极材料的渗透试验

具体实施方式二

本具体实施方式借助图1所示测量装置实施本发明测量方法。

具体实施方式二与具体实施方式一不同之处为：电极材料为本公司某型号负极材料，采用铝壳电池常用电解液B，分别在负极材料压实密度、压实厚度不同的情况下进行渗透试验。测量、计算方法与具体实施方式一相同。得到的结果见表二。

表二所示试验结果反应了电极材料压实厚度、压实密度的变化对电解液渗透能力的影响。

表二  同种电解液相对于不同压实厚度、不同压实密度的负极材料的渗透试验

具体实施方式三

本具体实施方式借助图1所示测量装置实施本发明测量方法。

具体实施方式三与具体实施方式一不同之处为：滴液管3下端从盖板2上的通孔插入，与正极材料表面保持3mm的距离，打开双通旋塞，电解液滴加到正极材料上，电解液因渗透而形成于电极材料表面的圆形印迹持续扩大直至最大，此时圆形印迹的面积即渗透面积S，计取电解液开始与正极材料接触至形成渗透面积S所用的时间t，通过刻度标尺读取渗透面积S的直径，计算渗透面积S，通过公式 $K=\frac{\mathrm{S\ρl}}{\mathrm{Vt}}=\left(\frac{\mathrm{\ρl}}{V}\right)\·\frac{S}{t},$ 计算得到渗透能力值K。结果如表三所示。

表三  不同电解液相对于压实密度相同的同种电极材料的渗透试验之二

 

电解液	厚度/μm	压实密度/(g/cm3)	电解液体积/μL	渗透时间/S	渗透面积2	K值/[g/(cm3*S)]
							C	69	1.661	3.2	32	1.039	11.625
B	69	1.661	3.2	58	1.131	6.984
							A	68	1.667	3.2	80	1.075	4.761

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种测量电解液对电极材料的渗透能力的方法，其特征在于：测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S，结合电极材料的压实密度ρ和厚度l，通过公式

$K=\frac{\mathrm{S\ρl}}{\mathrm{Vt}}=\left(\frac{\mathrm{\ρl}}{V}\right)\·\frac{S}{t}$ 计算得到渗透能力值K；

式中，K--电解液对电极材料的渗透能力；

      S--电解液在时间t内因渗透而形成于电极材料表面的印迹的面积；

      ρ--电极材料的压实密度；

      l--电极材料的厚度；

      V--渗透到电极材料中的电解液的体积；

      t--体积为V的电解液在电极材料中的渗透时间。

2、根据权利要求1所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程在干燥的密闭环境中进行。

3、根据权利要求2所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：所述密闭环境的湿度低于1％。

4、根据权利要求1所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程在大气环境中进行。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程为：使定量电解液在电极材料上渗透，测定所述电解液因渗透而形成于电极材料表面的印迹扩至最大时的面积即渗透面积S、自电解液与电极材料接触至电解液形成渗透面积S所需的时间t。

6、根据权利要求5所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：使定量电解液在电极材料上渗透的过程为：在电极材料上滴加一滴已知体积的所述电解液，滴加过程中电解液滴落高度小于5mm，重复测定时电解液滴落高度保持一致。

7、根据权利要求5所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：使定量电解液在电极材料上渗透的过程为：将定量电解液集中滴加到电极材料上，滴加过程中电解液滴落高度小于5mm，重复测定时电解液滴落高度保持一致。

8、根据权利要求6所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：渗透面积S的测定方法为：对各向同性的电极材料，用刻度标尺对准电解液因渗透而形成于电极材料表面的圆形印迹，测定该圆形印迹扩散至最大时的半径，计算渗透面积S；对非各向同性的电极材料，在厚度均匀的透明纸或其它介质上描出电解液因渗透而形成于电极材料表面的最大印迹，用方格法或称重法求出渗透面积S。

9、根据权利要求7所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：渗透面积S的测定方法为：对各向同性的电极材料，用刻度标尺对准电解液因渗透而形成于电极材料表面的圆形印迹，测定该圆形印迹扩散至最大时的半径，计算渗透面积S；对非各向同性的电极材料，在厚度均匀的透明纸或其它介质上描出电解液因渗透而形成于电极材料表面的最大印迹，用方格法或称重法求出渗透面积S。

10、根据权利要求1、2、3或4所述的测量电解液对电池极片的渗透能力的方法，其特征在于：测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S的过程为：将装有定量电解液的滴液管竖立并使滴液管的出液口与电极材料表面接触，然后使电解液持续集中泄漏到电极材料上，读取定量电解液开始泄漏至全部被电极材料吸收的时间计为渗透时间t；对各向同性的电极材料，测定定量电解液全部被电极材料吸收时电解液所形成圆形印迹的半径，根据半径计算渗透面积S；对非各向同性的电极材料，在厚度均匀的透明纸或其它介质上描出电解液全部被电极材料吸收时形成于电极材料表面的印迹，用方格法或称重法求出渗透面积S。

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