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      負極材料粒度分布對鋰離子電池性能的影響

      專欄:行業資訊發布時間:2021-09-07閱讀量:0作者:

      負極材料作為鋰離子電池的核心材料,對鋰離子電池的能量密度、充放電性能、循環性能、生產工藝等起著至關重要的作用。負極材料的主要技術指標包括粒度、比表面積、振實密度、真密度、灰分、pH值等。其中,粒度分布作為負極材料的重要技術指標,它還影響比表面積和振實密度,從而影響鋰離子電池的生產工藝和綜合性能。

      一、粒度分布對鋰離子電池性能的影響

      負極材料的粒度分布主要從以下幾個方面影響鋰離子電池的生產工藝和性能:

      1、粒度分布影響體積能量密度

      負極材料的顆粒大小應當具有合適的粒度分布,體系中的小顆粒能夠填充在大顆粒的空隙中,有助于增加極片的壓實密度,從而提高電池的體積能量密度。

      2、粒度分布影響充放電性能

      負極材料的顆粒越小,鋰離子嵌入時所需要克服的范德華力也就越小,嵌入越容易進行,而且顆粒越小,鋰離子嵌入和脫出的通道越短,越有利于快速達到充分嵌鋰狀態,從而具有更好的充放電性能。

      3、粒度分布影響循環性能

      實驗表明,顆粒越小的石墨負極有較大的初次容量,但不可逆容量也較大;隨著粒徑增大,初次充放電容量降低,不可逆容量減少。同時,石墨顆粒越小,與電解液接觸的比表面積越大,初次充放電過程中形成的SEI膜所消耗的電荷就越多,不可逆容量損失也就越大。因此,合理的粒度分布不僅能夠提升鋰離子電池的初次容量和初次效率,而且能夠提升鋰離子電池的循環性能。

      4、粒度分布影響生產工藝

      負極材料的粒度分布會直接影響電池的制漿和涂布工藝。在相同的體積填充份數情況下,材料的粒徑越大,粒度分布越寬,漿料的黏度就越小,這有利于提高固含量,減小涂布難度。
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      顆粒的粒徑以及分布寬度對漿料黏度的影響

      二、負極材料對粒度的要求

      在負極材料相關的標準中,對材料顆粒的粒度分布提出明確的要求,具體如下:
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      三、歐美克高性能激光粒度分析儀如何滿足鋰離子電池材料粒度檢測要求

      負極材料的研發、生產及來料檢驗普遍采用激光粒度分析儀進行粒度檢測,選擇高性能的激光粒度儀是獲得準確粒度分布信息的重要保證。對于一款高性能的激光粒度分析儀,往往采用合理的光學結構、高性能的光電元器件以及科學的反演模型,從而體現出良好的重復性、重現性、真實性、分辨率等測試性能。

      珠海歐美克儀器有限公司從1993年開始從事激光粒度分析儀的研發、生產和應用,積累了豐富的激光粒度分析儀研發、生產和應用經驗。從1999年開始,歐美克激光粒度分析儀系列產品在鋰離子電池研發、生產領域逐步獲得行業認可。下面,從幾個小案例管中窺豹,看看歐美克如何匠心智造每一款產品,又是如何站在行業應用的角度為用戶提供粒度解決方案的。

      1、大角散射光的球面接收技術(DAS)的應用確保散射光能信息的準確獲取

      對少量的大/小顆粒及樣品各個粒徑組分的準確識別,需要儀器制造商在無盲區光學設計、高精度元器件、裝配工藝、算法及軟件智能控制上不斷優化,提高產品分辨能力。例如早先的激光粒度儀將多個光電轉換元件探測通道放置在一塊或兩塊平面上,然而傅立葉透鏡的聚焦面通常呈弧形分布,平面布置的探測器很難將所有角度的散射光能信息都準確地聚焦獲取。以歐美克LS-609型激光粒度分析儀為例,在散射光能探測器的設計時,將常見的失焦影響較大的多個大角探測器通道以分個獨立的方式放置在與其散射角相對應的傅立葉透鏡焦點位置,保證所有散射光角度的信號都是無混雜的,提高了散射光分布角度分辨能力。與此同時,各個獨立的探測器有利于在探測器上布置雜散光屏蔽裝置,同時也防止了散射光在不同探測器上的相互干擾,進一步降低系統的噪聲,提高細微差異的分辨能力。

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      大角散射光的球面接收技術(DAS)

      2、優良的測試性能準確反映出測試樣品的細微差別

      (1)Topsizer對粉體材料的大、小顆粒具有高超的分辨能力

      歐美克Topsizer激光粒度分析儀測試含有少量大顆粒的石墨原材料的粒度分布圖和粒度分布表如下圖所示,可以看到對于體積含量在0.5%以下的極少量60-100μm的顆粒,以及體積含量在1%左右的2μm以下顆粒,均能夠靈敏的檢測出來其詳盡的粒度分布。顯示了Topsizer對粉體材料的大、小顆粒具有高超的分辨能力,對于電池產品的安全性能和容量性能有更準確的指導意義。如果對于對少量小顆粒特別關注,在軟件上,甚至可以采用數量分布替代體積分布的計算方法,進一步放大小顆粒的權重,對小顆粒數量上的變化進行更易識別的測試和生產質控。但需要注意的是,對于分布較寬的樣品,由于大小顆粒在尺寸上差異本身就很大,同樣體積的大小顆粒的數量相差將會異常大,取樣和分散測量上的少許波動會導致測試結果數量分布上較大的偏差。
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      下圖是應用歐美克Topsizer激光粒度儀對D50為0.1μm左右的超細隔膜材料氧化鋁的粒度測試粒度分布圖。image012.gif

      (2)LS-609激光粒度儀具有優良的重現性

      下圖是歐美克LS-609激光粒度儀對磷酸亞鐵鋰3次取樣分散測試粒度分布的疊加圖,及特征粒徑的統計結果,顯示該儀器對磷酸亞鐵鋰的測試擁有優良的重現性。

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      此外,不同使用環境還可以選配不同的進樣器,分析軟件還具有用戶分級、權限管理、數據完整性及可追溯功能,歐美克激光粒度分析儀真正做到了性能可靠、操作簡單、維護量少,是值得信賴的高性能激光粒度分析儀。

      參考文獻

      【1】沈興志,珠海歐美克儀器有限公司,高性能激光粒度分析儀在電池材料測試中的應用

      【2】珠海歐美克儀器有限公司,激光粒度分析儀在鋰離子電池行業中的應用

      【3】蘇玉長,劉建永,禹萍,鄒啟凡,中南大學材料與工程學院,粒度對石墨材料電化學性能的影響

      【4】旺材料鋰電,鋰離子電池負極材料標準最全解讀

      【5】中國粉體網,粒度對負極材料有什么影響?

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