日本研究人员评估碳电极浆料的分散性 以优化电池和燃料电池

锂离子电池是现代电子产品的动力源，而燃料电池是可持续性能源设备非常有前景的选择。影响锂离子电池和燃料电池性能的重要因素之一是碳浆料的分散性。碳浆料是由分散在溶剂中的导电碳颗粒制成的悬浮液，很容易涂覆在金属集电器上用于批量生产电极。但是，浆料中的碳颗粒必须分散均匀，才能保证电池性能可靠。

（图片来源：东京理工大学）

然而，评估具有高颗粒浓度的厚浆料的分散性十分困难。由于存在大量的颗粒，难以使用直接光谱技术来观察浆料的内部结构。此外，目前还没有方法来评估在涂覆过程中剪切应力对浆料的分散性和导电性能的影响。

据外媒报道，由日本东京理科大学（TUS）Isao Shitanda副教授负责的研究团队开发出一种估算碳浆料分散性的新技术。

研究人员结合流变仪（一种用于测量流体响应施加应力的流动/变形行为的科学仪器）和光谱仪装置，以甲基纤维素（一种纤维素衍生化合物，可用作食品和化妆品中的增稠剂和乳化剂，以及容积性泻剂和滴眼液/耳药水）作为分散剂，测量乙炔黑浆料的电化学阻抗。他们在不同频率的剪切应力的影响下进行了实验，以获得流变阻抗谱，从而提供有关浆料中碳颗粒内部结构的信息。有趣的是，研究人员发现，在施加剪切应力的情况下，具有良好分散性的碳浆料的阻抗谱未出现明显变化。

此外，该团队开发了一个由三类接触电阻和电容组成的等效电路模型，包括乙炔黑颗粒之间的接触电阻和电容，颗粒体的接触电阻和电容，以及测量装置设计产生的接触电阻和电容。乙炔黑的体电阻与剪切速率无关，但随着甲基纤维素浓度的增加而降低。此外，在每一种甲基纤维素浓度下测得的电阻，都随着剪切速率的增加而升高，这是由于碳-碳网状物被部分破坏，以及电导率随着剪切速率增加而降低。

这些结果共同表明，可以根据粘度（用流变仪测量）和电化学阻抗测量值来评估电极浆料的分散性。Shitanda博士认为，这种新方法具有发展潜力。“这项研究提出的见解可能有助于提高大规模电极制造工艺的效率。在这些工艺中，必须严格控制浆料的内部结构。”

制备具有更高分散性的浆料还有助于改善锂离子电池的性能和增强功能材料。通过促进太阳能电池板、燃料电池和电动汽车的应用，这将为建设可持续性碳中和社会做出重大贡献。

Shitanda博士总结道：“此次提出的方法不仅可以用来评估碳分散体的分散性，还可以用来评估各种浆料的分散性。在未来的研究中，研究人员计划通过改变颗粒类型和粘合剂组合来进行进一步的测量和等效电路验证。”