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摘要：新能源產業發展推動水性鋰電池隔膜陶瓷涂覆漿料成為研究熱點，但該漿料存在分散穩定性差、涂覆質量不佳等問題，傳統漿料穩定性評估方法存在耗時長、多為定性檢測、樣品需要稀釋、無法區分失穩機制等局限。本文介紹基于離心加速沉降?近紅外光掃描原理的 LUMiSizer 穩定性分析儀，該儀器可原液直接測試，快速定量評價高濃度漿料穩定性，識別不同失穩機理。以水性 Al?O?陶瓷漿料為研究對象，利用該儀器優化陰離子表面活性劑 DLSS 添加量，確定 0.1?wt.% 為至優添加點；表面活性劑不足時顆粒穩定效果有限，達到吸附飽和點體系穩定性至優，過量會生成反膠束造成顆粒團聚、體系穩定性惡化。采用優化后漿料制備的陶瓷涂覆隔膜，潤濕性、電解液吸液能力得到提升，在 LMO 電池體系中，半電池、全電池的循環壽命以及高倍率放電性能遠優于純 PE 隔膜。LUMiSizer 穩定性分析儀可實現漿料配方快速篩選，建立漿料穩定性與電池電化學性能之間的關聯，助力水性陶瓷涂覆隔膜漿料研發。 

關鍵詞：LUMiSizer 穩定性分析儀；鋰電池隔膜；陶瓷涂覆漿料；水性漿料；分散穩定性；表面活性劑；Al?O?；電化學性能

一、行業背景與挑戰

隨著新能源汽車和儲能市場的爆發式增長，高能量密度鋰離子電池對安全性的要求日益嚴苛。作為電池四大關鍵材料之一，隔膜不僅承擔著阻隔正負極、防止短路的基礎功能，其熱穩定性和電解液潤濕性更直接影響電池的安全邊界和循環壽命。

陶瓷涂覆隔膜（CCS）通過在聚烯烴隔膜表面涂覆一層Al?O?等無機陶瓷顆粒，顯著提升了隔膜的高溫尺寸穩定性和電解液親和性，已成為動力電池的標配方案。然而，傳統陶瓷涂覆漿料多采用NMP等有機溶劑體系，存在易燃、有毒、成本高、環保壓力大等問題。近年來，水性陶瓷涂覆漿料因其環保、低成本的優勢成為行業研發熱點。但水性體系面臨兩大核心挑戰：

1.       分散穩定性差：無機陶瓷顆粒在水相中易沉降絮凝，導致涂覆不均、批次一致性差

2.       涂覆質量差：聚烯烴隔膜表面疏水，水性漿料難以均勻鋪展，影響涂覆層均勻性

如何快速、定量地評估水性陶瓷漿料的分散穩定性，進而優化配方和工藝，成為鋰電池隔膜行業的關鍵技術需求。

二、傳統穩定性評估方法的局限

長期以來，行業內評估漿料分散穩定性主要依賴以下傳統方法，但均存在明顯局限：

這些方法的共同問題是：無法在短時間內對高濃度漿料的分散穩定性進行定量、全面的評估。對于研發和品控而言，等待數周才能得到穩定性結果，嚴重拖慢產品迭代速度，也難以支撐工藝參數的精細優化。

三、LUMiSizer穩定性分析儀的技術原理與核心優勢

LUMiSizer穩定性分析儀是一款基于離心加速沉降+近紅外光掃描原理的分散穩定性分析儀器，能夠在數小時內完成傳統方法需要數周甚至數月的穩定性評估，且提供定量、可追溯的結果。 

1.       技術原理

LUMiSizer利用離心力加速顆粒沉降過程，同時通過近紅外光（870 nm）沿樣品池全長實時掃描透光率變化，記錄完整的沉降動力學曲線。

•       加速離心：可達2300×g的離心力，將自然沉降過程加速數百至數千倍

•       空間分辨掃描：沿樣品池全長逐點掃描，獲取整個樣品管的透光率分布信息

•       時間分辨監測：全程記錄透光率隨時間的變化，捕捉沉降、絮凝、分層等動態過程

2.       核心優勢

•       快速定量：數小時內完成穩定性測試，不穩定性指數（Instability Index）提供0-1的量化結果，不穩定性指數越小，代表樣品越穩定。0為全部穩定，1為全部相分離

•       原樣測試：直接測試高濃度原液，無需稀釋，真實反映生產工藝中的漿料狀態

•       機制識別：可區分沉降、絮凝、上浮、相分離等多種失穩機制，為配方優化提供方向指引

•       多通道并行：支持最多12個樣品同時測試，大幅提升篩選效率

四、應用案例：水性Al?O?陶瓷漿料分散穩定性優化

4.1                      案例背景  

研究對象為水性Al?O?陶瓷漿料，組成為：CMC（粘結劑）/ Al?O?（陶瓷顆粒）/ DLSS（表面活性劑）/ 去離子水 = 1/38.9/0.1/60（重量比）。

使用LUMiSizer穩定性分析儀作為評估工具，通過改變表面活性劑（DLSS）添加量，對漿料的穩定性進行定量優化，最終制備出性能優異的陶瓷涂覆隔膜。

4.2 表面活性劑添加量優化

首先考察了陰離子表面活性劑（月桂磺酸琥珀酸二鈉，DLSS）的添加量對水性Al?O?陶瓷漿料分散穩定性的影響。設置了0、0.1、0.5、1.0 wt.%四個添加量梯度，使用LUMiSizer穩定性分析儀在2500 rpm、25°C條件下測試10,000秒，定量比較各組漿料的不穩定性指數。由下圖可知，0.1 wt.% DLSS添加量的Al?O?陶瓷漿料的不穩定性指數至低，穩定性最好；1 wt.% DLSS添加量的Al?O?陶瓷漿料的不穩定性指數最高，穩定性最差。 

圖 1 (a) 不同 DLSS 添加量（質量分數 %）的Al?O?陶瓷漿料，不穩定性指數隨離心時間的變化；(b) 各Al?O?陶瓷漿料的不穩定性指數柱狀圖對比

機制解析

LUMiSizer穩定性分析儀的定量結果清晰揭示了表面活性劑添加量與穩定性的關系：

•       低濃度區（0~0.1 wt.%）：DLSS吸附在Al?O?顆粒表面，形成雙層結構，通過靜電排斥和空間位阻穩定顆粒，穩定性隨添加量增加而提升。

•       飽和點（0.1 wt.%）：顆粒表面吸附達到飽和，穩定性達到最好

•       過飽和區（>0.1 wt.%）：過量的DLSS在溶液中形成反膠束，反膠束會促進Al?O?顆粒發生團聚，使體系熵值達到最大，穩定性反而下降，甚至不如不添加表面活性劑的樣品（0.0 % DLSS）。

•       應用價值：傳統方法很難精確捕捉"過飽和反而失穩"的拐點，LUMiSizer穩定性分析儀的定量數據能夠精準確定最佳表面活性劑添加量，避免配方走彎路，為企業節省大量研發時間和原料成本。

4.3 優化效果驗證

LUMiSizer穩定性分析儀篩選出的至優方案（0.1 wt.% DLSS）是否真的能提升最終隔膜產品的性能？通過一系列物理和電化學測試進行了全面驗證。

物理性能提升

電化學性能提升

在LiMn?O?（LMO）體系中，Al?O?陶瓷涂覆隔膜展現出顯著優于 純PE隔膜的電化學性能：

•       半電池循環性能：150次循環后，陶瓷涂覆隔膜保留90.4%初始放電容量（88.43 mAh/g）， 純PE僅保留27.6%（26.39 mAh/g）。

•       全電池循環性能：1150次超長循環后，陶瓷涂覆隔膜仍保留69.8%初始放電容量（72.2 mAh/g）， 純PE僅保留24.9%（25.0 mAh/g）。

•       倍率性能：7C高倍率放電下，陶瓷涂覆隔膜保持72.2%初始容量， 純PE僅保持27.7%。

圖2 (a) 半電池和 (b) 全電池在不同充放電倍率下的倍率性能及庫倫效率；(c) 鋰/錳酸鋰（Li/LMO）半電池與 (d) 石墨/錳酸鋰（Graphite/LMO）全電池的循環性能及庫倫效率

五、總結

LUMiSizer 穩定性分析儀對鋰電池隔膜陶瓷涂覆漿料研發具備不可替代的指導價值。依托該設備開展漿料優化，能夠將漿料穩定性的改善直接轉化為電池循環壽命的數倍提升與倍率性能的顯著優化，建立起從漿料穩定性到電池電化學性能的完整因果關聯。