要點提示

“在電池材料研發(fā)和生產(chǎn)過程中，Zeta電位直接表征了漿料中顆粒的滑動界面的帶電情況，預示了顆粒間趨向于彼此獨立，還是凝聚和沉降的情況，可以指導電極漿料、導電漿料等的配方研究、加料順序/混合一致性/制漿產(chǎn)品穩(wěn)定性/涂布的適用性等工藝開發(fā)、過程制品的質量評價和終產(chǎn)品的質量預期等。通過多種不同物料的Zeta電位分析，可以預測材料之間混合均勻的難易程度、大顆粒聚集體產(chǎn)生的可能性、漿料與基材之間的親和性等。隨著材料顆粒尺寸不斷細化，Zeta電位的表征正在對漿料生產(chǎn)中提高產(chǎn)能、降低成本變得越來越重要。”

前言

OMEC

隨著全球能源需求的增長和環(huán)境保護的需要，以鋰電池和燃料電池為代表的新能源成為近年來學術研究和工業(yè)發(fā)展的熱點領域。其中，鋰電池技術是新能源領域的重要組成部分，被廣泛地應用于電動汽車、儲能系統(tǒng)、3C便攜設備等領域。電極材料顆粒的級配、大顆粒雜質的有無、電極漿料的分散性能和勻漿涂布工藝、導電漿料和電解液的配方和工藝特性等共同決定了電極片的最終質量呈現(xiàn)，對于確保電池性能的穩(wěn)定和質量提升，并減少燃爆風險具有重要意義。

傳統(tǒng)上，在鋰電生產(chǎn)中顆粒材料的粒徑分布（通常又稱做粒度或級配）和形貌是重要的物理質控手段，他們作為做底層的因素影響著多種形態(tài)的顆粒材料，例如粉體、漿料、乳液等，的流動特性、分散穩(wěn)定特性，以及制漿涂布過程中的流變性和流平性，同時也影響著正極材料顆粒的離子擴散和電子傳導能力，是決定著電池的充放電性能、能量密度和循環(huán)壽命的關鍵一環(huán)。歐美克的激光粒度儀和顆粒圖像儀，以其靈敏度和超長時間內數(shù)據(jù)一致性，已經(jīng)在各種電池材料的質量評價中得到了十分廣泛的應用，可以提升成品電池品質，提高工藝效率，優(yōu)化配方成本、降低質量風險，從而提升企業(yè)市場競爭力。

▲ 分子界面吸附對顆粒表面電化學性能的影響示意圖

然而，對于這些關鍵工藝中廣泛存在的配比、混料、制漿、涂布等工藝，建立粒度和形貌與最終工藝效果的關聯(lián)，形成科學、有效、精準的質量控制指標是一個復雜且需要大量知識和經(jīng)驗積累的過程，有沒有什么指標可以更直觀反應材料的這些與工藝相關的物理特性，從而進一步改進配方和優(yōu)化工藝以使質量風險和生產(chǎn)成本更好的得到管控呢？這個答案就是漿體顆粒Zeta電位的表征。

在電池材料研發(fā)和生產(chǎn)過程中，Zeta電位則從另一個維度直接表征了漿料中顆粒的滑動界面/剪切面的帶電情況，預示了顆粒間趨向于彼此獨立，還是凝聚和沉降的情況，可以指導電極漿料的配方研究、加料順序/混合一致性/制漿產(chǎn)品穩(wěn)定性/涂布的適用性等工藝開發(fā)、過程制品的質量評價和終產(chǎn)品的質量預期。通過多種不同物料的Zeta電位分析，可以預測材料之間混合均勻的難易程度、大顆粒聚集體產(chǎn)生的可能性、漿料與基材之間的親和性等。隨著材料顆粒尺寸不斷細化，Zeta電位表征正在變得越來越重要。

Zeta電位的概念

OMEC

在純凈結晶離子的固體晶格內，由于穩(wěn)定化合物的電中性，正電荷和負電荷互相被補償。但在顆粒表面，這種平衡被打破，一些電荷仍然沒有得到補償，表現(xiàn)出顆粒表面的帶電特性。這種電荷的正負和大小決定了顆粒表面離子和化學基團于懸液介質中吸附極性分子、離子或化學基團的能力，影響懸液分散特性。介質中的顆粒表面存在緊密吸附和動態(tài)吸附介質中帶電基團或離子的結構，稱作雙電層。顆粒在介質中滑動是以此包裹顆粒核心的雙電層假想界面進行的，此滑動/剪切界面上的電位被稱為Zeta電位。

▲ Zeta電位概念示意圖

為什么要考察Zeta電位而不是核心顆粒的表面電位呢？

這就涉及到在介質中運動顆粒之間排斥還是吸引的作用力的來源。由于顆?？偸且曰瑒悠矫孢\行的，那不同運動顆粒間的電荷排斥力或吸引力自然是受顆?；瑒悠矫嬷系腪eta電位影響最大。

通常，不管是帶正電荷還是負電荷，Zeta電位的絕對值越高，顆粒之間在相互運動時所受到的電排斥力就越強，顆粒就越不容易彼此靠近和吸附團聚，從而表現(xiàn)出穩(wěn)定的分散特性；當Zeta電位的絕對值低至0附近時，顆粒和顆粒之間在大量的介質運動碰撞中傾向于不斷互相吸附聚集，從而形成大顆粒聚集體，表現(xiàn)出絮結沉降或漿料析出分層等體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。通過對介質中顆粒材料的Zeta電位的控制，可以有利于漿料/膠體的分散穩(wěn)定和易加工特性，從而提高下游產(chǎn)量并避免成品質量問題。

目前，Zeta電位的測量廣泛應用于制藥、給藥、化妝品、釀造、能源材料、陶瓷、礦物處理和水處理、造紙、建筑材料、超細材料、環(huán)境保護、海洋化學等行業(yè)。同時，Zeta電位也是化學、化工、醫(yī)學、建材等領域的重要理化參數(shù)之一。

Zeta電位的影響因素

OMEC

由于Zeta電位是基于介質緊密和動態(tài)吸附的雙電層結構之上的電勢的測量，雙電層結構中包含的來源于介質中電荷就是一個顯而易見的重要影響因素，通常pH的變化直接影響到介質中的電荷環(huán)境，較低pH的酸性環(huán)境，正電荷的離子更多，更多的正離子吸附于雙電層中，使得顆粒Zeta電位向更高的正值方向遷移；同樣的較高pH的堿性環(huán)境，隨著負電荷離子的增多，Zeta電位向更高的負值方向遷移。

在這個遷移過程中，Zeta電位處于0附近的漿料的pH值被稱作等電點。顯而易見，在等電點時，因為沒有相同電荷互相排斥的影響，樣品最不穩(wěn)定，極易由靜電引力迅速結合成較大的聚集體沉淀析出。要保持膠體或漿料的穩(wěn)定，需要盡可能避開等電點的條件進行工藝開發(fā)和生產(chǎn)控制。

除pH控制以外，對漿料中顆粒材料的表面修飾、改性、活化處理，對介質的離子強度及表面活性劑的配比優(yōu)化，也是進行膠體、漿料顆粒Zeta電位控制的常見手段，電泳光散射的Zeta電位測試儀器在其中發(fā)揮著關鍵的作用。

▲ 氧化物界面修飾改性的常見方式

納米粒度和電位分析儀

對Zeta電位的檢測

OMEC

歐美克NS-90Z Plus納米粒度和電位分析儀通過對運動顆粒上形成的散射光多普勒頻移進行相位遷移測量分析的方式，計算電場中帶電顆粒的電泳遷移率，從而表征出顆粒的Zeta電位結果。

通常Zeta電位的絕對值以30mV為界，代表著體系內顆粒更傾向于穩(wěn)定的分散（絕對值更高）還是絮結團聚（絕對值更低）。由于大顆粒受布朗運動影響低且散射光更強易于分析，電泳光散射方法不僅可以測量納米級顆粒也可以測量微米級顆粒，適宜約2nm-100um范圍內的顆粒Zeta電位分析。對于上限和下限的附近的具體樣品的分析能力取決于樣品/介質的密度和界面情況相關的沉降特性，以及所帶電荷的量。通常高品質的納米和Zeta電位分析儀還能分析顆粒的電位分布，對于顆粒的表面修飾改性，活化或裝配的一致性進行評價，從而提高工藝水平和產(chǎn)品質量。

▲ 歐美克NS-90Z plus納米粒度及Zeta電位分析儀

NS-90Z Plus 納米粒度及電位分析儀在一個緊湊型裝置儀器中集成了三種技術進行液相環(huán)境顆粒表征，包括：利用動態(tài)光散射測量納米粒徑，利用電泳光散射測量Zeta電位，利用靜態(tài)光散射測量分子量。

導電劑石墨烯復合漿料的工藝中

Zeta電位分析應用案例

電極材料中常用的導電劑有顆粒狀的SuperP、科琴黑，纖維狀的氣相生長碳纖維(VGCF)、碳納米管(CNTS)，片狀的KS-6、SFG-6、石墨烯等。良好的導電劑漿料配方可以提高導電效率，降低電極電阻，同時導電劑的存在還可以影響電解液在電池體系內的分布，影響鋰電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能。

要使導電劑能夠發(fā)揮作用，必須保證其在漿料中均勻分布，不僅是整體體積的宏觀分布，還包括顆粒層面上的微觀分布。導電劑的分布情況并不僅僅依靠漿料的攪拌效率，導電劑和配方本身的理化性質影響也是其中的關鍵因素。不同種類的活性物質在粒徑、形貌及其自身的化學性質方面差別較大，不同的導電劑與其復配特性也各不相同，對其導電能力也產(chǎn)生很大影響。因此在實際生產(chǎn)應用中，要根據(jù)所選用的活性物質，通過合適的物料科學分析來開發(fā)出適用的導電劑配方以及加工工藝。

以某石墨烯-納米微晶纖維素（CNC）導電復合材料的開發(fā)為例，采用帶不同數(shù)量的Zeta電位負電荷的硫酸酯基CNC來從石墨上剝離出石墨烯。石墨烯產(chǎn)物的濃度與所使用CNC懸浮液的zeta電位成正比，這表明靜電斥力在工藝中石墨烯的剝離及穩(wěn)定中起著關鍵作用。

在硫酸水解處理CNC的工藝過程中，隨著水解時間的延長，對漿料測試發(fā)現(xiàn)其Zeta電位值絕對值也不斷提高，在1.5至2小時后其Zeta電位絕對值逐步增大并趨向于平衡。以50:1的石墨與CNC投料比，分別采用1小時硫酸水解處理的Zeta電位為-36mV的CNC材料至2小時處理的Zeta電位為-62mV的CNC材料進行高剪切剝落方法石墨烯的生產(chǎn)，漿料中分散的石墨烯的產(chǎn)量也呈現(xiàn)與Zeta電位絕對值增加的同步的提升，直至接近飽和，最終制備了高濃度（4mg/mL）和收率4%的水性石墨烯-CNC分散體，且最終產(chǎn)品的也具有相似的高Zeta電位絕對值，預示了其在下游應用中的良好分散性能。

▲ 硫酸水解時間與CNC表面Zeta電位關系圖

▲  投料CNC表面Zeta電位與石墨烯產(chǎn)量關系圖

盡管CNC具有絕緣性，但使用該材料的噴涂復合膜的導電性可達280S/m。循環(huán)伏安法測定證明復合膜中的電子轉移是有效的，該復合膜具有良好的電活性、水穩(wěn)定性和細胞相容性，是一種很有前景的電化學陽極，可用于生物電化學電極、小型儲能應用，如柔性電池和超級電容器等多種場合。Zeta電位的表征測量對其配方研究和工藝開發(fā)起到了關鍵質量指標的作用。

參考文獻：

1. Lund etc., Shear exfoliated few-layer graphene and cellulose nanocrystal composite as biocompatible anode with efficient charge transfer. Carbon Trends. 9（2002）100210.