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关于锂离子电池浆料的理论知识(上)

导读: 导致胶体粒子团聚的主要作用,是来自粒子间的范德华力,若要增加胶体粒子稳定性,则由两个途径,一是增加胶体粒子间的静电排斥力,二为使粉体间产生空间位阻,以这两种方式阻绝粉体的团聚。

一、胶体理论

导致胶体粒子团聚的主要作用,是来自粒子间的范德华力,若要增加胶体粒子稳定性,则由两个途径,一是增加胶体粒子间的静电排斥力,二为使粉体间产生空间位阻,以这两种方式阻绝粉体的团聚。

最简单的胶体系统系由一分散相与一相分散媒介所构成,其中分散相尺度范围于10-9~10-6m间。胶体内的物质存在于系统内需具有一定程度以上的分散能力。根据溶剂与分散相的不同而可产生多种不同的胶体型态,如:雾气即为液滴分散于气体中之气胶、牙膏即固态高分子微粒分散在液体中的溶胶。

胶体的应用在生活中比比皆是,而胶体的物理特性需视分散相与分散介质的不同而有所差异。从微观角度观察胶体,胶体粒子并非处于恒定状态,而是在介质内随机运动,这便是我们所称的布朗运动(Brownian motion)。绝对零度以上,胶体粒子均会因热运动而发生布朗运动,这便是微观胶体的动力学特性。胶体粒子因布朗运动而产生碰撞,是为团聚(aggregate)发生的契机,而胶体粒子在热力学上处于不稳定状态,因而粒子间的交互作用力为分散的关键因素之一。

1-1,胶体动力学性质

布朗运动起始自19 世纪初,植物学家布朗由显微镜观察到花粉粒子在水中的不规则运动得名。粒子因温度而造成布朗运动后将产生碰撞行为,由粒子表面的范德华力引起团聚现象。胶体的凝聚速率与以下两者有密切的关系:

1)胶体粒子间彼此碰撞的频率,

2)粒子经碰撞后,产生的热能是否足以克服胶体间的排斥能量。

Smoluchowski 提出胶体快速凝聚理论,是由浓度差造成扩散速率所控制。

胶体粒子团聚的速率为:

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n表示在时间t时,单位体积溶液所含的胶体粒子数,k2为二次反应速率常数(second-order rate constant)。

由于团聚使得溶液中的胶体粒子浓度减少,因此以表示为负号。当t=0,n=n0, 积分上式可得:

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胶体部分团聚后,由于排斥能障将随粒子的粒径增加而成长,溶液将达到平衡,使得凝聚速率下降。假设胶体粒子为单一粒径,并只考虑两粒子间的碰撞时:

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a为胶体粒子半径,D为布朗扩散系数,假设为球形粒子,由爱因斯坦扩散定律,可得:

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将(4)代入(3)后,n 代入(2)式化简得到:

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K02为扩散速率拉制时的胶体凝聚速率(不考虑能障时的速率常数),μf 为水溶液黏度。并由(1)及(5)式可计算出团聚时间tF为:

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1-2, 双电层理论

双电层理论可用以解释胶体中带电离子的分布情形,以及粒子表面所产生的电位问题。19 世纪Helmholtz 提出平行电容器模型以描述双电层结构,简单的假设粒子带负电,且表面如同电容器中的电极,溶液中带正电的反离子因异电荷相吸而吸附在粒子表面。然而这个理论却忽略了带电离子会因热运动产生扩散行为。

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