锂离子电池是现代电子产品的动力源，而燃料电池是可持续能源设备的有前途的候选者。影响锂离子电池和燃料电池性能的一个重要因素是碳浆的分散性，碳浆是由分散在溶剂中的导电碳颗粒制成的悬浮液。它们可以很容易地涂覆在金属集电器上以批量生产电极。但浆料中的碳颗粒必须分散均匀，才能保证电池性能可靠。

然而，评估具有高颗粒浓度的稠浆料的分散性是非常困难的。大量的颗粒阻碍了使用直接光谱技术观察浆料的内部结构。此外，没有方法可以评估浆料的分散性和导电性能对涂覆过程中施加的剪切应力的响应。

在此背景下，由日本东京理科大学(TUS)的IsaoShitanda副教授领导的研究小组开发了一种估算碳浆分散性的新技术。他们的最新研究由安东帕日本公司的YoshifumiYamagata博士和信越化学有限公司的ShingoNiinobe博士共同撰写，在线发表在《ACSAppliedElectronicMaterials》上。

研究人员将流变仪(一种用于测量流体响应施加应力的流动/变形行为的科学仪器)与光谱仪装置相结合，以测量含有甲基纤维素(一种用作增稠剂和纤维素的纤维素衍生化合物)的乙炔黑浆料的电化学阻抗。食品和化妆品中的乳化剂，作为散装泻药和滴眼剂/滴耳剂)作为分散剂。

他们在不同频率的剪切应力的影响下进行了实验，以获得流变阻抗谱，该谱提供了有关浆料中碳颗粒内部结构的信息。有趣的是，他们注意到对于具有良好分散性的碳浆料，在施加剪切应力的情况下，阻抗谱没有显着变化。

此外，该团队还开发了一个等效电路模型，由三种类型的接触电阻和电容组成：乙炔黑颗粒之间的接触电阻和电容、颗粒块体之间的接触电阻和电容以及由测量装置设计产生的接触电阻和电容。乙炔黑的体积电阻与剪切速率无关，但随着甲基纤维素浓度的增加而降低。

此外，在每个甲基纤维素浓度下测得的电阻随着剪切速率的增加而增加，这一观察结果归因于碳-碳网络的部分破坏以及随着剪切速率的增加电导率降低。

因此，这些结果共同表明，可以根据粘度(用流变仪测量)和电化学阻抗测量的组合来评估电极浆料的分散性。Shitanda博士对他们的新方法的潜力感到兴奋，他说：“这项研究的见解可能有助于提高大规模电极制造工艺的效率，在该工艺中必须仔细控制浆料的内部结构。”

制备具有更高分散性的浆料还可以改善锂离子电池性能并增强功能材料。通过促进太阳能电池板、燃料电池和电动汽车的应用，这些将为建设可持续的碳中和社会做出重大贡献。

“所提出的方法不仅可用于评估碳分散体的分散性，还可用于评估各种浆料的分散性。在未来的研究中，我们计划通过改变颗粒类型和粘合剂组合来进行进一步的测量和等效电路验证，”博士总结道.四反田。