揭秘不同温度下去离子水对硅基浆料产气的影响,www.iesttech.com

前言

随锂电行业的发展，硅基负极材料因其高理论比容量而成为锂离子电池领域的研究热点。硅基负极浆料通常使用去离子水作为溶剂，采用表面改性和元素掺杂等技术来提升材料性能，但这些技术可能引入不稳定因素，如表面碱性和包覆不完整，导致纳米硅暴露并与氢氧根离子反应，使硅基材料容易在锂电池生产过程匀浆工序出现产气等问题，导致硅基材料的应用和生产出现异常，从而影响电池的性能和安全性。

然而，大部分研究者可能受限于测试设备的精度等问题，对硅基浆料的产气以及去离子水是否影响硅基浆料的产气研究较少。

元能科技的原位产气体积监控仪（GVM2200）可对硅基浆料的产气行为进行实时、定量监控，高精度传感器可有效检测微小的气体体积变化（体积测量分辨率1μL，体积测量精度±10μL），可辅助研发人员监测产气情况并量化产气值，完成硅材料特性评估和硅材料改性特性评估，为硅材料应用技术开发提供有效支撑。

一. 测试信息

1. 测试设备：

原位产气体积监控仪，型号GVM2200（IEST元能科技），可调控温度20℃~85℃。设备外观如图1所示。

图1.原位产气体积监控仪示意图

2. 测试方案：

原位产气体积监控仪主要基于牛顿定理和阿基米德浮力定律，通过高精度力学测量仪实时测得样品的体积变化量，测试原理如下所示。

本次实验采用铝塑膜分别封装相同质量的去离子水、硅基浆料并增加配重（如图2），放置在原位产气体积监控仪的2个通道上测试去离子水、硅基浆料在不同温度下的产气体积变化量。

图2.样品制作流程

为了验证去离子水是否对硅基浆料的产气有所影响，按如下表1配比配制浆料以及去离子水，并分别监测其在不同温度下产气情况。

表1.浆料配比

二. 测试过程及结果讨论

图3.不同温度去离子水的体积变化

图4.不同温度硅基浆料的体积变化

表2.不同温度去离子水&硅基浆料的体积变化量

本次实验分别将去离子水和硅基浆料从25℃常温环境中依次放入不同温度的腔室内进行测试，从图3和表2中可看出，去离子水在35℃时，其体积相比25℃时增加了0.058ml；在45℃时，相比25℃时增加了0.117ml，说明温度升高后，去离子水的体积会逐渐变大，这主要是由于物体在温度升高时，分子或原子获得更多热能后运动加剧，导致它们之间的平衡距离增加所带来的热膨胀效应。这种体积增加是一个连续的过程，直到去离子水达到新的热平衡状态。从图4和表2中可看出，在35℃时，去离子水在48h内的产气体积占硅基浆料产气的2.1%；在45℃时，去离子水在48h内的产气体积占硅基浆料产气的2.8%，硅基浆料随测试温度升高，浆料产气量增加，且远远超出去离子水的体积变化量，这可能与以下因素有关：

1. 表面改性或元素掺杂：这些改善工艺可能会引入不稳定因素，如表面碱性和包覆不完整，导致纳米硅暴露并在制浆过程中与氢氧根离子反应产气。

2. 预镁或预锂化处理：针对硅基负极材料首次放电效率低、电导率差、循环性能差等问题，人们进行了大量的预锂化技术研究。通过预先加入少量的锂源，来补充副反应和固体电解质相界面(SEI)膜形成过程中消耗的锂，同时再结合表面改性等方案进一步改善。一方面，预锂化剂对水敏感，易反应产生气体；另一方面，研究表明，元素硅也易水解，产生副产物可燃氢气：

Si+2H₂O→SiO₂+2H₂↑

三. 总结

本文采用原位产气体积监控仪（GVM2200）表征了去离子水以及硅基浆料在不同温度下的产气体积变化。随温度的升高，去离子水的体积在新的温度环境下达到热平衡后，几乎不发生变化，而硅基浆料随搁置时间进行，产气体积逐渐增加，原位产气体积监控仪（GVM2200）可精准测量出该过程的体积变化量，可实现产气量的连续化自动测试，为材料研发和浆料产气机理研究提供有力的技术支持。

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