辛耘知識分享家:電池混合物的黏度量測

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電池混合物的黏度量測

2023年01月電子報

　　電池是一種儲存化學能並將其轉化為電能的裝置。電池由電化學或原電池製成，由陽極/陰極隔板和電解質組成。每個金屬電極和電解質之間存在電位差。陰極具有正電位（相對於溶液），陽極具有負電位（相對於溶液）。這種電位差允許電子從陽極流向陰極，從而產生電流。發生這種情況時，正離子會通過電解質溶液移動，該溶液的黏度會影響離子的移動，從而影響電池的電導率和性能。

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圖 1：電池元件示意圖

　　黏度是流體流動的阻力(Viscosity is defined as the resistance to flow!)。剪切黏度對分子水平上發生的事情很靈敏，因為在分子水平上，流體的黏度是流體分子之間的摩擦力，它反映了分子如何相互作用以及這些相互作用將如何影響分子結構。分子的大小、形狀和相互作用可以通過黏度以及任何可能的微觀結構反映出來。

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圖 2：顯示流體從左向右運動以及剪切率如何垂直於流動方向變化的圖表

　　黏度取決於電池的特性，例如離子的大小、離子的溶劑、電解質的性質和溶劑的性質。電池的電導率和性能將取決於黏度和介電常數。遷移率與黏度和離子大小成反比，因此黏度越高，電導率越低。

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　　介電常數定義為溶液分子被局部電場極化的方式的反映。這意味著更高的介電常數溶劑更容易將鹽結合成組成離子，從而使溶液中產生更高的離子濃度和更高的電導率。為實現高導電性，要尋找具有低黏度和高介電常數的配方。

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圖 3：顯示不同電池溶劑的介電常數與黏度數據的圖表

　　有許多電池類型，包括可充電（或二次）和不可充電（或一次）。在可充電電池類型中，鋰離子電池特別受關注，因為它們用於手機、筆記本電腦、電動工具等設備以及快速擴展的應用——電動汽車 (EV)。鋰離子電池電解質溶液通常由環狀碳酸酯（例如碳酸亞乙酯（EC））和線性碳酸酯（例如碳酸二甲酯（DMC）或碳酸甲乙酯（EMC））的二元混合物組成。

　　在一項監測溫度、鹽濃度和溶劑濃度如何影響黏度的實驗中，RheoSense 團隊使用 VROC ® initium one plus 自動黏度計測量了包含不同比例的 DMC、EMC、EC 的各種電解質系統。我們的實驗表明，隨著溫度的升高，各種樣品的黏度都會降低。它還表明，當您將 EC 添加到溶液中時，黏度會增加，並且黏度越大的混合物隨著溫度的升高黏度下降得越快。

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圖 4：顯示黏度隨溫度變化的圖表，該混合物包含不同比例的 DMC、EMC 和 EC。

　　電池電導率隨著鋰鹽濃度 (LiClO4) 的增加而增加，但在達到某個閾值後，電導率會隨著鹽濃度的增加而降低，因為在此濃度範圍內的電導率主要受溶液黏度的影響，溶液黏度會隨著鹽濃度的增加而增加。

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圖 5：顯示鹽濃度對電導率影響的圖表

　　我們的數據顯示電池溶液表現出牛頓行為（黏度恆定，因此與剪切率無關），添加 EC 會增加電解質的黏度，這表明將 EC 添加到基於碳酸鹽的電解質中可能有助於鹽離解和更高的介電常數。增加溶液的鹽濃度也會增加溶液的黏度。在不含 EC 的溶液中，較高的鹽濃度可能是有益的，因為它可以促進離子解離，這最終會增加系統的電導率。

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圖 6：顯示在40°C含EC電解質的黏度與 LiClO4 濃度的函數關係圖。

　　這些數據表明，較低的黏度值和較高的介電常數值會提高不同電解質溶液的電導率和性能。我們的實驗數據和結果還展示了如何結合不同的電解質濃度、溶劑和溫度來實現電池配方所需的特性。要優化性能，您必須在濃度和溫度之間取得平衡，由於黏度對所有這些因素都很敏感，因此您能夠準確可靠地使用黏度測量來優化電池性能。

參考文獻：https://ctherm.com/resources/newsroom/blog/battery_viscosity/

◉了解流體行為-測量絕對黏度

　　 VROC^®技術重新定義了黏度測量方式。所有 RheoSense 黏度計僅需要少量樣品，控制從低到非常高的剪切率，並測量牛頓和非牛頓液體的真實黏度。VROC ^®（黏度計-R heometer -on -a- C hip）結合了微流體和 MEMS（微電子-機械系統）技術來測量寬範圍的動態黏度。RheoSense的黏度計為複雜液體（即非牛頓流體）提供了一種經濟高效的替代方案。

　　當測試液體流過其矩形狹縫微流體通道時， VROC ^® 池通過測量壓降來讀取黏度。基於Hagen–Poiseuille流，它是流變原理的著名應用（K. Walters，Rheometry，Chapman and Hall，London，1975），被列入美國藥典<914> 章。