Исследователи занимаются улучшением оценки диспергируемости углеродных суспензий

Литий-ионные аккумуляторы на данный момент являются основными источниками питания в современной электронике. Топливные элементы рассматриваются в качестве многообещающего кандидата в сфере устройств, обеспечивающих устойчивую энергетику. Специалисты считают, что важнейшим фактором, оказывающим влияние на производительность литий-ионных аккумуляторов и топливных элементов, является диспергируемость углеродных суспензий. Эти суспензии состоят из проводящих частиц углерода, которые диспергированы в растворителе. Их можно легко нанести на металлический коллектор при массовом производстве электродов. Однако углеродные частицы должны быть равномерно распределены по объёму в этой суспензии. Только в этом случае можно обеспечить надежную работу аккумулятора.

Оценка диспергируемости густых суспензий с высокой концентрацией частиц чрезвычайно затруднена. Высокая концентрация не позволяет заглянуть во внутреннюю структуру суспензии при помощи прямых спектроскопических методов. А методов оценки диспергируемости и проводимости суспензий в ответ на напряжение сдвига, приложенные в процессе нанесения покрытия, не существует.

Работу Исао Ситанда провёл в соавторстве с доктором Ёсифуми Ямагатой (Yoshifumi Yamagata) из Anton Paar Japan KK и доктором Синго Ниинобе (Shingo Niinobe) из Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Учёные объединили реометр (научный инструмент для измерения поведения потока/деформации жидкостей в ответ на приложенное напряжение) со спектроскопической установкой для измерения электрохимического импеданса суспензий ацетиленовой сажи с метилцеллюлозой. Этот материал представляет собой соединение на основе целлюлозы. Они использовали его в качестве диспергатора. Обычно это загуститель и эмульгатор в пищевых и косметических продуктах, а также в качестве объемообразующее слабительное средство и составляющая глазных/ушных капель.

Эксперименты были проведены под воздействием напряжения сдвига на различных частотах, чтобы получить спектры реоимпеданса. Они дают информацию о внутренней структуре углеродных частиц в суспензии. Специалисты заметили, что для углеродной суспензии с хорошей диспергируемостью спектры импенданса существенно не изменяются под действием напряжения сдвига.

Помимо этого, команда учёных разработала эквивалентную модель схемы, которая состоит из трёх типов контактных сопротивлений и ёмкостей. Они перечислены ниже.

• Между частицами ацетиленовой сажи.
• Между частицами в объеме.
• Те, что возникают в результате конструкции измерительной установки.

Объёмное сопротивление ацетиленовой сажи не зависело от скорости сдвига. Однако оно уменьшалось при увеличении концентрации метилцеллюлозы. Кроме этого, сопротивление, измеренное при каждой концентрации метилцеллюлозы, увеличивалось с увеличением скорости сдвига. Специалисты объясняют это частичным разрушением углерод-углеродной сети, а также уменьшением проводимости при увеличении скорости сдвига.

Полученные результаты демонстрируют, что диспергируемость электродных суспензий на основе комбинации измерений вязкости (измеренной с помощью реометра) и измерений электрохимического импеданса вполне возможно оценить. Доктор Шитанда отметил, что результаты проведённой работы будут полезны для повышения эффективности крупномасштабных процессов производства электродов, в которых внутренняя структура суспензии должна тщательно контролироваться.

Приготовление суспензий с более высокой диспергируемостью обеспечит улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов, а также улучшение функциональных возможностей материалов. Это будет большой вклад в построение устойчивого углеродно-нейтрального общества. Движение в этом направлении обеспечит развитие солнечных панелей, топливных элементов и электромобилей. Шитанда говорит, что предложенный метод вполне можно использовать для оценки диспергируемости широкого спектра суспензий, а не только углеродных. В будущих исследованиях планируется провести дальнейшие измерения и проверки эквивалентных схем. Специалисты планируют сделать это посредством изменения типов частиц и комбинаций связующих веществ.

Вполне возможно, что проведённая работа позволят выпускать растворы с оптимальным соотношением веществ. Это откроет путь к более устойчивым технологиям для создания электроники будущего поколения, а также электромобилей и систем хранения энергии.