鋰離子電池正*材料的粒度、形貌、比表面積、振實密度、結(jié)構(gòu)、成分等理化性能和電化學(xué)性能對鋰離子電池正*材料的應(yīng)用有著重要的影響。準(zhǔn)確分析測定這些性能參數(shù)對鋰離子電池正*材料研發(fā)者和使用者都有著重要的意義。今天咱們就一起聊一聊鋰離子電池正*材料性能分析方法和標(biāo)準(zhǔn)。
理化性能分析方法
鋰離子電池正*材料需要分析的理化性能主要包括粒度、形貌、比表面積、振實密度、結(jié)構(gòu)和成分。
1、鋰離子電池正*材料粒度分析
鋰離子電池正*材料的粒度及粒度分布對電池的安全性能和*片的壓實密度有較大影響,同時也對電池材料的電性能有影響。粒度分析方法主要有沉降法、篩分法、庫爾特法、電鏡統(tǒng)計觀察法、電超聲粒度分析法、激光衍射法、動態(tài)光散射法。鋰離子電池正*材料的粒度分析應(yīng)用*多的是激光散射法,測試步驟主要參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T19077-2016。
激光散射法的原理是:顆粒樣品以合適的濃度分散于適宜的液體或氣體中,使其通過單色光束,當(dāng)光遇到顆粒后以不同角度散射,由多元探測器測量散射光。通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)模型和數(shù)學(xué)過程,轉(zhuǎn)換這些量化的散射數(shù)據(jù),得到一系列離散的粒徑段上的顆粒體積相對于顆??傮w積的百分比,從而得出顆粒粒度體積分布。原理示意圖如圖1。
激光散射法操作簡單、測試快捷、適應(yīng)廣泛,重復(fù)性好。用激光散射法測量鋰離子電池正*材料的粒度及粒度分布時,要確定好正*材料的折射率和吸收率,否則測量會出現(xiàn)誤差。朱果等采用激光散射法原理的激光粒度儀對鈷酸鋰正*材料的粒度進行了測試,分析表明測試數(shù)據(jù)誤差較小,重現(xiàn)性好。
2、鋰離子電池正*材料形貌分析
材料的形貌分析*常用的手段是掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)。有時根據(jù)材料形貌的特殊要求,也用到掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)。
鋰離子電池正*材料的形貌分析主要用到的是掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。SEM一般只能提供鋰離子電池正*材料微米或亞微米的形貌信息。TEM分辨率更高,可以達到0.1nm~0.2nm,除了對樣品進行形貌分析,還可以分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。
?。场囯x子電池正*材料比表面積分析
鋰離子電池正*材料的比表面積與材料的加工性能有關(guān)。因此比表面積分析也是鋰離子電池正*材料理化性能分析中重要的一項。鋰離子電池正*材料比表面積分析方法主要采BET法。BET法的原理是:將試樣放入盛樣器,然后置于液氮中,此條件下,試樣表面將發(fā)生物理吸附。用壓力計測量吸附達到平衡時的平衡吸附壓力,容量法或色譜法測量樣品吸附的氣體量。*后將平衡吸附壓力和吸附的氣體體積帶入BET方程式,計算求出試樣的比表面積。BET測試方法和步驟參考GB/T13390-2008。
?。?、鋰離子電池正*材料振實密度分析
鋰離子電池正*材料的振實密度關(guān)系到電池制作過程中的壓實密度,是材料能量密度的考核指標(biāo)之一。鋰離子電池正*材料的振實密度分析主要采用振動法,原理是:稱取一定量的樣品置于玻璃量筒中,通過振動裝置使量筒里的粉末逐漸被振實,直至粉末的體積讀數(shù)不再變化,記錄此時的體積數(shù)。將先前稱取粉末的質(zhì)量數(shù)除以記錄的體積數(shù),就得到樣品的振實密度。振實密度測試方法和步驟參考GB/T5162-2006。
?。?、鋰離子電池正*材料結(jié)構(gòu)分析
鋰離子電池正*材料的結(jié)構(gòu)決定了鋰離子脫嵌路徑方式的不同,對鋰離子電池的電化學(xué)性能等產(chǎn)生明顯影響。鋰離子電池正*材料結(jié)構(gòu)分析方法有X射線衍射(XRD)法、紅外光譜法、拉曼光譜法等。X射線衍射法是*常用的結(jié)構(gòu)分析方法。利用XRD可以對材料進行物相定性分析、物相定量分析以及測定材料的結(jié)晶度。
紅外光譜屬于分子振動光譜,是由于分子振動能級躍遷和分子轉(zhuǎn)動能級躍遷而形成的帶光譜。紅外光譜法是利用紅外光譜對物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)進行定性和定量分析的方法。在鋰離子電池正*材料結(jié)構(gòu)分析,廣泛使用XRD和紅外光譜相結(jié)合的方法。通過考察正*材料紅外吸收峰的變化,分析正*材料晶體結(jié)構(gòu)的變化。
拉曼光譜與紅外光譜一樣,均源于分子的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷。通過拉曼光譜法可以直接獲得物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)信息。拉曼光譜法分辨率高、重現(xiàn)性好。在鋰離子電池正*材料的研究中,利用拉曼光譜可以研究鋰離子電池正*材料充放電過程的結(jié)構(gòu)變化。采用非原位拉曼光譜時,將鋰離子電池正*材料停留在某個充電或放電狀態(tài)時取出,測量其拉曼譜,得到正*材料此時的結(jié)構(gòu),然后跟充電或放電前的狀態(tài)對比,可獲得電池正*材料充放電前后的結(jié)構(gòu)變化。而采用原位拉曼光譜,更是可以實時獲得鋰離子電池正*材料充放電過程的結(jié)構(gòu)變化信息。
?。?、鋰離子電池正*材料成分分析
鋰離子電池正*材料成分分析主要分為主體元素成分分析和摻雜元素成分分析。摻雜元素成分分析因為摻雜元素含量較低,分析方法相對簡單。根據(jù)摻雜元素的含量和種類可以采用吸光光度法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、原子吸收光譜法(AAS)等。
主體元素成分分析因為元素含量高,如果采用常規(guī)的低含量雜質(zhì)元素的分析方法,容易產(chǎn)生較大的誤差。所以主體元素分析通常采用滴定法。
GB/T30835-2014中規(guī)定磷酸鐵鋰中鐵含量的分析采用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法。磷含量的分析采用磷鉬酸銨容量法。如果主體元素中個別元素含量相對較低,也可采用ICP-OES、AAS等。
電化學(xué)性能分析方法
鋰離子電池正*材料的電化學(xué)性能主要包括首次放電比容量、首次充放電效率、放電平臺容量比率、倍率性能、循環(huán)壽命等。
對于鈷酸鋰正*材料,GB/T23665-2009中規(guī)定了鈷酸鋰首次放電比容量及首次充放電效率的測試方法。采用半電池測試這兩個參數(shù),電池制作方法和測試過程標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)介紹。GB/T23366-2009中規(guī)定了鈷酸鋰放電平臺容量比率及循環(huán)壽命的測試方法。測試步驟標(biāo)準(zhǔn)中也有詳細(xì)介紹。
對于鎳鈷錳酸鋰正*材料,YS/T798-2012規(guī)定了鎳鈷錳酸鋰首次放電比容量、首次充放電效率、平臺容量比率及循環(huán)壽命的測試方法。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定這些參數(shù)的測定參照鈷酸鋰的測試方法執(zhí)行。對于磷酸鐵鋰正*材料,GB/T30835-2014中規(guī)定了磷酸鐵鋰首次庫倫效率、首次可逆比容量、倍率性能的測定方法。測試步驟標(biāo)準(zhǔn)中也有詳細(xì)規(guī)定。
除了以上手段對鋰離子電池正*材料的電化學(xué)性能進行分析,還可以采用循環(huán)伏安法和電化學(xué)交流阻抗法對正*材料的動力學(xué)過程進行表征。吳建波等采用循環(huán)伏安法和電化學(xué)交流阻抗法對錳酸鋰粉體及薄膜電*的動力學(xué)過程進行了分析,找出影響其電化學(xué)性能的主要動力學(xué)因素。圖4是其循環(huán)伏安圖譜。通過圖譜中的氧化還原電位差,可以反映電*材料的可逆性。
總結(jié)
材料理化性能和應(yīng)用性能的分析方法很多,從中篩選和確定適合鋰離子電池正*材料性能的分析方法,有助于鋰離子電池正*材料工作者準(zhǔn)確分析自己材料的性能,也有助于不同鋰離子電池正*材料工作者相互之間數(shù)據(jù)的比較,對推動鋰離子電池正*材料的發(fā)展有重要的意義。