锂电池胶体的稳定机制
胶体粒子由于具有高表面能而倾向团聚状态,为使胶体系统具有分散稳定性,必须提高粒子间的排斥力。胶体间的稳定机制一般可分为三种:
1)静电稳定机制(Electrostatic stabilization)
2)立体障碍(Steric hindrance)
3)静电立体稳定作用(Electrosteric stabilization),稳定机制如下图所示:
(a)静电斥力、(b)立体障碍、(c)静电立体障碍
静电稳定机制是利用粒子的表面电荷所造成的排斥力,当粒子彼此因吸引力接近时,造成胶体粒子的双电层重迭,由于粒子表面带同性电荷,因此产生排斥力。
然而静电稳定机制易受溶液系统中的电解质浓度影响,当溶液内的电解质浓度过高时将造成粒子表面双电层压缩,反而造成粒子的凝聚。立体障碍的稳定机制是利用高分子吸附于胶体粒子表面,其作用会产生两种不同的效应提升粒子间的排斥力:
1)渗透压效应(Osmotic Effect)
是当两胶体粒子接近时,高分子长链吸附于粒子表面或溶液内的残余高分子会介在粒子之间,此时粒子间的高分子浓度不断提高将引起渗透压的变化,周围介质进入两粒子之间,排开彼此距离,而达到分散稳定的效果。
2)空间限制效应(Volume restriction effect)
为吸附于粒上表面的高分子具有一定的空间阻碍,当粒子距离缩短,由于高分子并无法穿透粒子,高分子将产生压缩,致使弹性自由能上升,因而排开粒子,达到分散的效果。
相较于静电稳定机制,高分子立体障碍具有许多优点。静电稳定机制极容易受环境影响而失去效果,无法应用于高电解质环境或是有机系统溶液。
然而高分子立体障碍对电解质浓度相对不敏感,而且于水溶液或在有机溶剂中具有相等的效率,并且高分子立体障碍亦不因胶体固含量而影响效果。高分子吸附于胶体粒子表面时,即使产生团聚亦为软团聚,可简单的破除团聚现象,即使胶体粒子经过干燥程序,仍然是可以再度分散于溶剂中。
因此立体障碍对于分散稳定性的作用相对较静电稳定效应高。静电立体稳定作用则是同时具有静电稳定机制与立体障碍,粒子表面所接枝的高分子上带有电荷,使两种不同稳定机制加成,可让胶体粒子具有良好的分散稳定性。