锂电池的润湿性

锂电池是智能手机和笔记本电脑等移动设备的主要储能技术。近期随着对插电式混合动力汽车和电动汽车需求的增加，引发了对于锂电池技术是否足以实现大众市场全面电气化的讨论。

锂电池的结构

锂电池由多孔材料组成正极和负极浸润在电解液中，正负极之间被隔膜阻隔，具体见图1。正极（阴极）通常是钴酸锂或锰酸锂构成。负极一般由石墨或其他碳基材料构成。电解质通常是有机溶剂中的锂盐，通常为聚合物基电解质。电解质只允许锂离子在阳极和阴极之间移动。隔膜是阳极和阴极之间的物理屏障。阴极和阳极决定了电池的性能，而电解液和隔膜则负责电池的安全。

锂电池不同部分的润湿性已经成为制造及电池性能和安全的关键影响因素。本文讨论了锂电池的润湿性及其重要性，并阐述其润湿性的表征方法。

图1 锂电池结构

差的润湿性增加制造预算

从小型电池向电动车的大规模应用的转变对电池制造提出了重大挑战。制造过程中的关键步骤之一是通过精密泵将电解质溶液添加到多孔电极中。在此步骤中，电解质应渗透并填充电极的孔隙，这个过程称为润湿过程。由于电极的润湿性差，扩散距离长以及气体被困在孔隙内时扩散受阻，因此在高温下可能需要几天的时间，漫长的过程会增加制造时间，同时增加制造成本。

压延对锂电池电极润湿性的影响

压延是锂电池电极常见的压实工艺。压延的目的是降低电极的孔隙率从而改善颗粒接触来提高电池的能量密度。压延会显著影响孔隙结构从而影响电极的润湿性^[1]。

电解液与电极材料润湿性是开发高性能锂电池的挑战之一。多孔电极的电解质润湿不足会导致电极发生异常反应并形成不稳定的固体和电解质界面膜。这种情况会降低电池性能并导致循环寿命缩短。此外，不完全润湿会导致锂金属形成枝晶，从而导致严重的安全问题。未润湿的活性材料也会导致电极容量不足并增加电极电阻^[2]。

压延也会影响电极的表面纹理，在评估电极的润湿性时需要考虑这一点。

用张力仪测定润湿速率

电解质对电极的润湿性可以通过使用张力仪测定润湿速率来表征。润湿速率测量是基于Washburn方法^[3]，多孔样品浸入液体中，并使用高灵敏的天平记录吸收量随时间的变化，如图2所示。

该方法已被用于确定压延对锂电池电极润湿性的影响^[2]。测量压延过程对不同厚度电极膜的电解质吸收情况，记录质量随时间变化的趋势（图3）。

由于颗粒的排列和孔隙网络内发散度的增加，适度的压延已经被证实可以改善电极材料的润湿性。如果压延超过最佳水平，电极的润湿性将随着孔径变小，随着孔隙率降低而降低^[2]。

图2 研究电极润湿性的Washburn方法示意图

图3 Washburn方法记录的质量随时间变化曲线

电极的润湿性与粗糙度和接触角联合测定

压延过程改变了电极的表面结构。表面粗糙度对润湿性有明显影响，因为表面粗糙度增强了表面化学的影响。如果表面具有化学亲水性，则粗糙度将使表面更加亲水。因此，测量表面粗糙度和接触角可以更深入地了解表面的润湿性^[4]。

隔膜的润湿性

隔膜位于正极和负极之间，是电池的关键部件。它通过阻挡两个电极之间的物理接触来防止电池短路，但同时允许锂离子流动。隔膜被认为是电池的非活性组件，但其特性对电池的性能和安全至关重要。隔膜是极性相反的电极之间的多孔膜。多年来人们使用了各种不同的隔膜材料，但今天的商用隔膜通常由聚烯烃制成，例如聚乙烯或聚丙烯。

电解液的润湿性是锂电池隔膜的关键特性，因为电解质吸附对粒子传输至关重要。聚合物隔膜材料本身具有疏水性，对传统有机电解质的润湿性不足。已经考虑了不同的方法来提高隔膜材料的润湿性，包括使用静电纺丝^[5]、原子层沉积（ALD）^[6]或电子束蒸发^[7]的不同类型的涂层，以及复合隔膜的制造^[8,9]。

接触角和表面张力的测量来研究隔膜的润湿性

通过光学接触角设备测量隔膜与电解液之间的接触角来研究隔膜的润湿性^[9]。在这项研究中将一滴5μL的LiPF6滴在具有不同成分的四个隔膜上。以商用PP膜作为参考。接触角结果清楚地表明了复合隔膜的优越性，接触角范围为9-13°，而商用隔膜为77°。

改善润湿性的另一种方法是改性电解液。通过降低电解液的表面张力可以提高其与隔膜和电极之间的润湿性。

总结

界面的润湿性对于锂电池的制造和性能评估非常重要。润湿性受固体表面化学成分、表面粗糙度和润湿液的影响。优化电极和电解液的表面特性是改善润湿性的关键。

参考文献

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