碳基导电浆料的制备及分散方法
碳基导电浆料的制备及分散方法
随着高性能电子产品和储能电池的高速发展，对导电浆料的需求也越来越多。导电浆料是将导电剂颗粒均匀分散于溶剂中所形成的颗粒悬浮液。导电浆料主要由导电相、黏结相和有机载体组成，其中以碳材料为导电相不仅符合绿色发展的要求，而且使用水基载体还能节约成本，降低环境污染。
碳基导电浆料的分类
以碳基材料为导电填料具有着诸多优势，碳在自然界以多种形式存在且碳储量丰富，约占地球总质量的0.027％，并且具有开采容易、价格低廉、加工制备工艺成熟、污染小、理化性能优异的优势。 目前，国内外碳基导电浆料所使用的导电填料主要是石墨、碳黑、碳纳米管、石墨烯及各类复合填料等。
碳基导电浆料的制备工艺
碳基导电浆料的一般制备流程就是将导电相、载体溶剂、分散剂三者按照组分比例均匀混合，制备成导电浆料，装瓶等待材料表征和性能测试。其中对碳基材料的分散是整个流程中最重要的一步。由于碳基材料粉体粒度小，极易产生自发凝并，表现出强烈的团聚特性，不论在空气中还是在液相中均易生成粒径较大的二次粉体，团聚的结果导致碳基材料性能的严重劣化。因此稳定、良好的分散效果是碳基导电浆料应用在锂离子电池中表现出出色电化学性能的前提。
制备碳基导电浆料分散方法
分散方法可分为化学改性法和物理分散法。
化学改性法
主要包括共价键修饰法和非共价键修饰法。
共价键修饰分散法是通过一定的化学反应使如碳基材料（石墨烯）与一些在溶液中具有良好分散效果的有机小分子、聚合物以及其他材料结合，对碳基材料（石墨烯）的表面进行改性，从而提高其在溶液中的分散能力。
非共价键修饰分散法是利用π－π键、离子键、氢键及其他非共价键的作用，使碳基材料（石墨烯）与疏水官能团结合，改善碳基材料（石墨烯）的分散稳定性。
物理分散法
主要包括球磨分散、超声分散和机械搅拌分散。
- 球磨分散
球磨分散就是将碳基材料如石墨烯或者碳纳米管放入装有球磨珠且封闭的圆筒状球磨机中，通过球磨珠与球磨珠、球磨珠与球磨罐之间发生的高频高速的碰撞摩擦，使碳基材料在压缩、剪切以及冲击等力的充分作用下分散。
球磨机 图源：上海科利瑞克机器有限公司
球磨工艺的优点在于：
- 物料处在密闭机内进行，没有尘灰飞扬；
- 应用范围广，既可用于干磨也可用于湿磨；
- 运转可靠，研磨体便宜，且便于更换。
但球磨也不可避免有些缺点：
- 体积庞大笨重；
- 运转时有强烈的振动和噪声；
- 工作效率低，消耗能量较大；
- 研磨体与机体的摩擦损耗很大，并会沾污产品。
- 超声分散
目前，超声分散法是碳基材料在溶液中分散最常用的方法，利用超声的空化作用，在溶液中产生剪切应力，以高能高震荡降低材料的表面能，从而达到分散的目的，分散浓度与超声处理的时间和超声功率有关。
50L石墨烯分散设备 图源：杭州国彪超声设备有限公司
超声分散的优点：
- 分散效果显著；
- 设备体积小，质量轻；
- 操作简单；
- 设备效率高。
但是超声分散也不可避免存在一些缺点：
- 设备昂贵，造价高；
- 用料越多，分散效果越差；
- 可能会破坏样品表面结构，影响产品性能。
- 搅拌分散
搅拌分散也是导电浆料制备工艺中常用的一种物理分散方法，通过摩擦搅拌和磁力搅拌的作用产生足够的剪切力来分散团聚的碳材料，可以通过调控参数来控制设备对导电浆料的分散效果。
纳米分散机 图源：上海依肯机械设备有限公司
搅拌分散操作简单，成本低廉，且设备构造简单，它可以控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，可操作性高。但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响浆料的均匀性，生产效率低，同时搅拌叶片易受物料腐蚀从而对浆料产生污染。
结语
目前，碳基导电浆料中碳材料的分散方法各具优势和缺陷。因此，从低耗减碳提效角度出发，碳材料分散工艺与设备的研发将成为重中之重。要制备出分散性良好的碳基导电浆料还需要进一步优化导电浆料的配方和生产工艺，加大研磨强度和延长研磨时间。
参考来源：
- 马青青等，炭基导电浆料制备工艺及性能表征的研究进展
- 周萍等，基于核磁共振技术测量研究锂电池正极导电浆料的分散性
- 中国粉体网