锂电池水系正极配方粘度特性研究及恒温检测系统建设

胡 威 孙丹平 王 应

（中航锂电〈洛阳〉有限公司，河南 洛阳 471003）

浆料粘度是流体重要的物理性质及技术指标之一，粘度的准确测定在许多工业部门及科研生产领域有重要意义，特别是在石油化工、医药、冶金、纺织印染、食品等行业中[1]。浆料粘度通常是指液体内部相互流动所表现的内摩擦[2]，粘度的大小与浆料的种类、浆料浓度、浆料温度等因素密切相关。目前粘度的测量有多种方法，如毛细管法、振动法、落球法、旋转法，其中旋转法是应用最广泛的测量方法。旋转法普遍采用NDJ系列旋转粘度计，该粘度计可以在不同的切变速率下对同种浆料连续测量，广泛用于测量牛顿型液体的绝对粘度、非牛顿液体的表观粘度。

锂离子电池生产企业普遍采用NDJ系列旋转粘度计测试浆料粘度。长期测试结果表明，水系浆料粘度稳定性较差（相对于油性体系），受温度、测试时间及测试条件的影响较大，为获得较准确的粘度值，科学指导生产，本文对某一配方正极浆料的粘度特性进行了重点研究。

1 常温搁置试验

取某一配方正极浆料约500ml，置于内径80mm的杯子中，放置于恒温箱中，将温度设置在25℃，使用NDJ-1型旋转粘度计测试浆料在静置条件下粘度随时间的变化，实验结果如图所示。

图1 正极浆料粘度随静置时间的变化趋势（25℃）

该测试在无搅拌的情况下进行，由测试结果可知，该配方浆料在温度保持不变的情况下，粘度值随静置时间延长而变大，且在静置初期的16分钟内粘度值增大最为明显，由最初的7300mPa·S增大至10200mPa·S，增大比例为40%。而在随后的12分钟内粘度值增大趋势逐渐趋缓，由10200mPa·S增大至10600mPa·S，增大比例为3.9%。

2 升温试验

图2 正极浆料粘度随温度升高的变化趋势

浆料粘度受温度影响很大，一般情况下，浆料粘度随温度的升高而降低，取该配方浆料500ml，置于内径80mm的杯子中进行水浴升温，并适时测量浆料粘度随温度的变化趋势，实验过程用玻璃棒不停搅拌以加速热扩散。试验结果如图2所示，可以看出浆料粘度随温度的升高下降趋势明显：温度从17.7℃升高至33.3℃，粘度从9000mPa·S降低至5800mPa·S，温度平均每升高1℃，粘度降低约6.3%。另外从测试数据看，该配方正极浆料在从25℃升温至28℃时粘度下降最快，平均每升高1℃，粘度降低约600mPa·S。

3 粘度恒温检测系统建设实践

通过以上的基础实验可以看出，水系正极浆料粘度的稳定性较差，粘度值随静置时间的延长而增大，随温度的升高而降低。在实际生产中，稳定浆料粘度对涂布生产十分重要，因此，锂电池生产企业一方面应确保分散好的浆料及时用于涂布生产，避免长时间存放造成粘度特性变化，另一方面，为消除温度变化对粘度的影响，获得较为准确的表观粘度值，必须尽量在恒定的温度下测试，且确保该测试温度与涂布生产控制温度一致，只有这样粘度测试数据才对生产有指导意义。

为提高涂布生产质量，涂布生产过程保持浆料温度恒定十分必要。由于浆料粘度对温度十分敏感，因此，需要建立对应的浆料粘度恒温检测系统。NDJ-1型旋转粘度计需将转子没入直径不低于70mm高度不低于130mm的容器中，取样量较大，约500ml，采用恒温控温槽对测试浆料进行控温，经初步控温试验证实：正极浆料在水浴中搅拌升温，温度由25℃升温至29℃，浆料杯中各部位温度很难稳定，靠近杯壁处浆料温度高于容器其他部位1～2℃左右，如果实现浆料温度均匀稳定，至少需要20～30min，如此长的测试等待时间必然造成浆料粘度升高，延误生产。

相比于NDJ系列旋转粘度计，DV-T1粘度测试系统具有取样量小（约16～20ml）、能实现精确控温（±0.1℃）及在线检测等优势，因此我们尝试在更为先进的DV-T1粘度恒温检测系统基础上开展恒温粘度检测系统建设的实践。

3.1 DV-T1粘度检测系统测量系统分析

分别使用现有NDJ-1旋转粘度计、DV-T1粘度温控一体机、进口博力飞DV-Ⅱ+ProEXTRA旋转粘度计分别对硅油标准油、食用植物油样品进行测试比对。结果见下表1。

表1 三种粘度测试系统比对

上表中分别使用三种粘度计，对标准硅油、植物油进行粘度测试比对，可以看出使用DV-T1粘度温控一体机和美国博力飞粘度计测试标准硅油，所得粘度值与标准值符合性很高，误差分别为0.55%和0.15%（如图1）；与NDJ-1旋转粘度计相比，两种粘度计对植物油测试结果也十分接近。

图3 DV-T1检测硅油标准油粘度-温度曲线（25℃）

图3可知，DV-T1粘度测试系统在标准硅油的粘度长时间测试过程中表现十分稳定，测量误差为0.55%。

用标准硅油对该粘度测试系统进行测量系统分析，此设备重复性（EV）为 11.0%，在线性（AV）为 11.5%,有效区分数（nd）为 6.9，均符合要求，证明该测量系统是可接受的。

3.2 浆料恒温粘度测试

在验证该测量系统可以接受后，使用该测量系统对正极浆料进行了恒温在线检测，将测试温度设置为与涂布生产温度一致。经过多次取样测量，粘度测试曲线在测试开始的1min内会出现一个平台，浆料粘度值相对稳定，如图4所示。

由于水系浆料粘度值是时刻变化的，测量所得到的粘度值也只能是在某一特定的测量系统下，对应某一时间、某一温度下的表观粘度值。因此对于非标准流体，在无法测得其绝对粘度的情况下，确定合理的粘度合格判定标准十分重要，通过实验，该测量系统粘度恒温测试的最佳读数时间是1min，在此时间段内，由于粘度值相对稳定，测试结果具有可比性。

4 结论

（1）水系正极浆料在温度保持不变的情况下（25℃），粘度值随静置时间延长而变大，且在静置初期的16分钟内粘度值增大最为明显，由最初的7300mPa·S增大至10200mPa·S，增大比例为40%。而在随后的12分钟内粘度值增大趋势逐渐趋缓。

（2）水系正极浆料粘度随温度的升高下降趋势明显：温度从17.7℃升高至 33.3℃，粘度从 9000mPa·S 降低至 5800mPa·S，温度平均每升高 1℃，粘度降低约 6.3%。

（3）DV-T1恒温粘度测试系统通过硅油标准油测试比对及测量系统分析，证明系统可以接受，对于水系浆料粘度恒温测试，最佳的读数时间为1min。

图4 正极浆料恒温粘度测试曲线

［1］高桂丽,李大勇,石德全.液体粘度测定方法及装置研究现状及发展趋势简述[J].化工自动化及仪表,2006,32(2)：6570.

［2］顾培韵,潘勤敏.粘弹性流体流变特性的研究[J].浙江大学学报,1994,28(1)：88-92.