电极加工科学与技术：电极流变学与活性颗粒微环境

堃博士

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【背景】

电极作为二次电池的核心功能部件，其微观结构的理解、控制与优化对电极内部电子、离子传输效能及最终电化学性能提升至关重要。值得指出的是，电极的微观结构不仅与组分特性密切相关，也在很大程度上由电极加工成型过程决定。因此，理清电极的微观结构的内在依赖关系及其与电极加工的科学关联，对于电极的基础理论和质量管控都具有重要意义。

【成果展示】

为了更加深入地理解电极微观结构、电极加工的科学本质和技术价值，本文借助生物学和高分子成型加工中的基础知识，提出了活性颗粒微环境和电极流变学概念。详细总结了从电极浆料制备到电极辊压定型整个电极加工过程中存在的流变学问题和活性颗粒微环境演变过程，首次将电极加工流变学和活性颗粒微环境定构进行了科学关联。作者认为电极流变学是电极加工的科学基础，而电极加工的科学价值在于活性颗粒的微环境定构。在文章最后部分，还总结了流变学在电极加工中的意义与价值，并对未来流变学在电极中应用进行了展望。相关报道以题为Revisiting the electrode manufacturing: A look into electrode rheology and active material microenvironment发表在能源化学类国际高影响力期刊Journal of Energy Chemistry上。

【图文导读】

 

图1.电池电极内部“活性颗粒微环境”示意图。(a) 生物学细胞微环境示意图；(b) 电池内部电子、离子传输示意图；(c) 活性颗粒微环境定义和活性颗粒微环境质量控制的决定因素。

如图1所示，生物学上细胞微环境（图1a）对细胞的新陈代谢起着至关重要的控制作用。本文对储能器件内部，尤其是电极内部电荷传输进行了梳理（图1b），从电极的工作原理出发，借鉴细胞微环境的概念，提出了电极内部活性颗粒微环境概念。具体地，活性颗粒微环境可以定义为某个考察活性颗粒周围的、以其近邻活性颗粒为边界组成的一个开放的局部空间。显然，这一微环境空间包括了电子传输部分（主要由导电剂构成）和离子传输部分（主要由液体电解质构成）。微环境的质量和功能将很大程度上决定活性颗粒在不同电流密度下的容量发挥水平。

图2 复合电极的传统涂布加工流程及其活性颗粒微环境ME@AM演变示意图。

在目前针对活性颗粒微环境质量优化的研究中，电极加工通常是被忽视的一大重要影响因素。从图2可知，电极制备的每一步都存在非常重要的流变学问题，包括浆料制备分散流变学、加工流变学、干燥流变学和压延流变学。这其中每一步都存在活性颗粒微环境的演变。正是这样的理解，本文尝试将电极流变学和活性颗粒微环境演变过程进行了有效关联。进一步揭示了电极流变学的双重角色：它不仅是电极加工过程中不同阶段的重要物理性质，同时也可以作为一种强有力的工具来评价、监控活性颗粒微环境变化过程及其力学特性。电极流变特性是电极加工成型的基础。同样，电极加工创新也依赖于电极浆料的流变性质，而不同的加工技术也决定了活性颗粒微环境的定构方式。如图3，作者根据浆料的不同流变特性，介绍了各种电极加工方法，包括丝网刮涂、挤出、3D打印。

图3. 电极流变学与电极加工技术创新。(a), (b)丝网刮涂制备电极；(c), (d)3D打印厚电极；(e) 挤出电极；(f)溶液挤出制备纤维电极。

【总结】

电极流变学对活性颗粒微环境结构调控和质量评价具有十分重要的意义和价值。电极流变特性一方面可以决定活性颗粒微环境的构建动力学过程，另一方面还可以评价活性颗粒微环境的力学质量。特别是针对一些结构不稳定的高能量密度的活性颗粒如硅、金属锂、硫、NCM等，通过对活性颗粒微环境的合理调控，设计和制备具有稳定、快速的离子/电子传输微环境的电极变得尤为重要。

Yan He, Lei Jing, Yuan Ji, Zhiwei Zhu, Lanxiang Feng, Xuewei Fu, Yu Wang, Revisiting the electrode manufacturing: A look into electrode rheology and active material microenvironment, Journal of Energy Chemistry, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.04.038

通讯作者简介

王宇特聘研究员致力于新型微粘控加工及其在先进电池材料及器件、高分子加工等方面应用的多学科交叉研究。迄今以第一或共同通讯作者，在国际知名期刊上（如Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., J. Energy Chem.等）发表SCI论文40余篇，部分工作得到了国际媒体的广泛关注（如ScienceDaily, MaterialsViews）和杂志主编的亮点报道。申请美国专利9项(4项授权)，其中一项发明专利荣获2020年度美国R&D 100 Award，中国专利4项（授权1项），受邀英文著作一章。目前担任中国流变学协会青年委员，Journal of Energy Chemistry（国家卓越期刊计划入选期刊）杂志青年编委。

来源：锂想生活