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激光粒度分析儀在鋰離子電池行業中的應用

2020-04-08

鋰離子電池產業作為我國“十二五”和“十三五”期間重點發展的新材料、新能源、新能源汽車三大產業中的交叉產業,國家出臺了一系列支持鋰離子電池產業發展的支持政策,直接帶動了我國鋰離子電池行業的持續高速增長。為了規范鋰離子電池行業的健康穩健發展,國家相關部門先后制訂了涉及到鋰離子電池全產業鏈的相關行業標準,而相關電池材料的粒度分布檢測就是其中一項重要檢測指標。下面,我們看一看這些行業標準對粒度分布的相關規定。


鋰離子電池材料粒度分布要求

電池材料的粒度分布影響電池材料的物理性能及電化學性能,進而影響鋰離子電池的容量、能量密度、充放電性能、循環性能及安全性能等。在鋰離子電池材料中,需要檢測粒度的粉體材料主要有正極材料及原材料、負極材料及原材料、導電添加劑、電解質、隔膜涂覆材料。

正負極材料

正極材料顆粒的粒徑越小,越有利于Li+的嵌入和脫嵌,有利于提升鋰離子電池的倍率性能;同時,粒徑越小的材料首次容量越高。但是,粒徑越小的材料比表面積越大,顆粒表面能升高,易團聚并與電解液發生副反應,電池內阻升高,充放過程中會積聚過多能量,溫度升高,從而導致安全隱患;同時,粒徑越小的材料不可逆容量增加,降低電池的循環性能。如果材料中混入少數超大顆粒,會導致在極片生產過程中出現劃痕、斷帶現象,嚴重影響產品質量。

粒徑較小的負極材料具有較大的首次容量,但不可逆容量也較大;隨著粒徑增大,首次充放電容量降低,不可逆容量減少。同時,粒徑越小的顆粒,越有利于Li+的嵌入和脫嵌,有利于提升電池的倍率性能。如果材料中混入少數超大顆粒,會導致在極片生產過程中出現劃痕、斷帶現象,嚴重影響產品質量。

正極材料和負極材料原料的顆粒的粒徑大小影響到正極材料和負極材料的生產工藝控制及成品性能。比如,三元前驅體的粒度影響三元材料的煅燒時間及晶粒大小一致性。粒徑越小的前驅體煅燒時間越短;粒徑分布越窄的前驅體,煅燒時熱量從材料表面傳導到材料中心的時間一致性越高,晶粒生長時間一致性越高,晶粒大小一致性也越高。碳酸鋰作為正極材料的鋰源材料,粒度大小對正極材料的生產工藝和性能也有著重大影響。


導電添加劑

導電添加劑顆粒的粒徑太小,容易發生團聚,不能與活性物質充分接觸,導致導電作用降低;如果粒徑太大,導電添加劑顆粒不能嵌入到活性物質中,同樣會降低導電添加劑的導電作用。如果材料中混入少數超大顆粒,會導致在極片生產過程中出現劃痕、斷帶現象,嚴重影響產品質量。

對于電解液的電解質來說,電解質顆粒大小越均勻,電解液性能的一致性越好。電解液作為鋰離子電池的血液,承擔著運輸鋰離子的重任,質量的好壞直接影響鋰離子電池的電化學性能,并很大程度上影響鋰離子電池的安全性能。

涂覆隔膜

涂覆隔膜是在基膜的單面或雙面涂覆一層氧化鋁、二氧化硅等粉體無機材料,從而提升隔膜的高溫性能、穿刺強度、親液性能等。

涂覆材料粒度大小及分布對涂覆隔膜的性能起著決定性的作用。以最常用的氧化鋁涂覆隔膜為例,一般采用亞微米級別的α相氧化鋁材料,顆粒大小適中且粒度均勻的氧化鋁能很好地粘接到隔膜表面,不會堵塞膜孔,成孔均勻,能夠提高隔膜的耐高溫性能和熱收縮率,能夠改善隔膜對電解液的親和性,同時保持較好的機械性能,從而提高鋰電池的安全性能。氧化鋁涂層的粒徑越大,隔膜的厚度會增加,隔膜的化學性能會迅速下降。

綜上所述,粒度分布測試已成為提升鋰離子電池性能的重要檢測手段,選擇一款高性能的激光粒度分析儀就成為了研發機構、材料生產廠家、電芯生產廠家的共同需求。一款好的激光粒度分析儀應該具備良好的測試結果的真實性、重現性、分辯能力、易操作性等。

測試結果的真實性是指測試結果能夠反映顆粒的真實大小,盡管粒度測量不宜引用“準確性”這一指標,但這并不意味著測量結果可以漫無邊際地亂給。測試結果的真實性是激光粒度分析儀最根本的分析性能,如果沒有測試結果的真實性做基礎,儀器的重復性、重現性等其它性能就失去了討論的意義。

測試結果的重現性是指將同一批樣品多次取樣的測試結果的重復誤差,誤差越小,表示重現性越好。重現性的好壞取決于儀器獲取光能分布數據的穩定性、對雜散光的控制能力、對中精確度、光源和背景的穩定性、進樣器的分散性能等。只有具備良好重現性的儀器才能對測試樣品的粒度分布進行可靠的評價,有利于用于多個樣品之間差異的準確識別。

激光粒度分析儀的分辨能力指的是儀器對樣品不同粒徑顆粒的測量分辨能力以及對給定粒度等級中顆粒含量的微小變化識別的靈敏程度。一般來說,除了影響重現性的因素外,散射光能分布角度和光強的精準獲取,低背景噪聲的光學電子設計,高精度的模數轉換及反演計算水平都對儀器的分辨能力有較大影響。只有高分辯能力的儀器才能準確識別測試樣品的細微粒徑變化。



激光粒度分析儀的原理結構

激光粒度分析儀的易操作性是指操作簡單、故障率低、易于日常維護保養。如果儀器的易操作性不高,即便有良好的測試性能,也不能高效滿足用戶的測試需求。

Topsizer激光粒度分析儀和Topsizer Pus激光粒分析儀就是這樣兩款在鋰離子電池行業被廣泛應用的高性能激光粒度分析儀。量程寬、重現性好、分辨能力強、自動化程度高、故障率低等優異性能保證了測試結果和分析能力,而且與國內外、行業上下游黃金標準保持一致,不僅為用戶節省了方法開發和方法轉移上的時間和成本,更重要的是可以避免粒徑檢測不準帶來的經濟損失和風險,無論在產品研發、過程控制還是質量控制上,都能夠為用戶帶來真正的價值。

● 測試范圍:0.02-2000μm(濕法),0.1-2000μm(干法)

● 重復性:≤0.5%(標樣D50偏差)

● 準確性:≤±1%(標樣D50偏差)

● 測量速度:常溫測量10秒內完成

歐美克Topsizer激光粒度分析儀

Topsizer激光粒度分析儀是珠海歐美克儀器有限公司于2010年被英國思百吉集團全資收購后,利用思百吉集團的全球資源全新打造的旗艦產品,具有量程寬、重現性好、精度高、測試結果真實、自動化程度高等諸多優點,真正站在了當前粒度檢測領域的前沿。

●  測試范圍:0.01-3600μm(濕法),0.1-3600μm(干法)

●  重復性:≤0.5%(標樣D50偏差)

●  準確性:≤±0.6%(標樣D50偏差)

●  測量速度:常溫測量10秒內完成

歐美克Topsizer Plus激光粒度分析儀

Topsizer Plus激光粒度分析儀是繼廣受贊譽的Topsizer 后,作為馬爾文帕納科的全資子公司,珠海歐美克儀器有限公司推出的又一款高端粒度分析儀器。該儀器引入了國際先進的光學設計,結合歐美克近30年的技術積累,采用全球化的供應鏈體系,使激光衍射法的測試范圍達0.01-3600um。Topsizer Plus保持了Topsizer量程寬、重復性好、分辨力高、真實測試性能強和智能化程度高等優點,通過進一步提升光學設計、硬件和反演算法,拓展了其測試范圍以及實際測試性能,代表了當前國產激光粒度儀的最高技術水平。



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