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探究锂离子电池负极材料主力(二):石墨类材料性能检测

锂电联盟会长 锂电联盟会长

上一篇主要介绍了负极材料的基础知识,那当我们拿到一个负极材料的时候,要怎样才能对其性能进行测试呢,有怎样根据一些基本的物理性能来对负极材料进行选择呢,本系列的第二篇将带你了解石墨负极性能测试的基础知识以及基本的判断指标。

看着这些黑不溜秋的粉末,我们很难从外观上判断出来是什么类型的负极材料,没关系,负极厂家已经给我们分好类了,外观颜色为黑色或者刚灰,并且具有金属光泽,分为天然石墨(Nature Graphite)和人造石墨(Artificial Graphite),一般缩写为NG和AG,以后看到这个缩写也就明白是什么意思了。

石墨类基本的性能有粒度分布、比表面积、振实密度、磁性物质含量、石墨化度、外观形貌、首次充放电容量以及首次效率等基本的性能,下面将根据各个基本参数来详细说明测试方法以及基本的判断指标。

粒度分布测试:

激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布,当一束平行光遭遇到颗粒阻挡时,一部分广将发生散射,散射广的传播方向和主光束的传播方向性形成散射角,它的大小和颗粒的大小有关,颗粒越大,产生的散射角越小,反之则越大;同时,散射光的强度代表该粒径颗粒的数量,所以,在不同的角度上测量散射光的强度,就可以得到样品的粒度分布,一般会得到D10、D50、D90的的粒径大小的参数,代表的含义是10%、50%、90%的颗粒尺寸在所测得的尺寸值以下,也会得到D10、D50、D90的的粒径体积分布的参数,含义也是一样的。

比表面积测试:

基于氮吸附法测定固体比表面和孔径分布是依据气体在固体表面的吸附规律进行测试的,在恒定温度下,在平衡状态时,一定的气体压力,对应于固体表面一定的气体吸附量,改变压力可以改变吸附量。平衡吸附量随压力而变化的曲线称为吸附等温线,对吸附等温线的研究与测定不仅可以获取有关吸附剂和吸附质性质的信息,还可以计算固体的比表面和孔径分布。一般而言,颗粒小的负极材料比表面积大于颗粒大的负极材料,在与正极、电解液搭配使用时需要考虑这些物理指标。

振实密度测试:

其测试原理装有粉末或颗粒的刻度量筒固定在机械振动装置上,振动电机带动机械振动装置垂直上下振动,装有粉或颗粒的刻度量筒随机械振动装置而发生有节拍的振动,随着振动次数的增加,刻度量筒里的粉末或颗粒逐渐振实,振动次数达到设定的次数后,机械振动装置停止振动,读出刻度量筒的体积,根据密度的定义:质量除以体积、从而求出振实后的粉末或颗粒密度。这个参数和颗粒的尺寸、颗粒的形状密切相关,还直接影响着负极材料在加工时候的另一个重要指标——压实密度,进而影响电池的厚度。

磁性物质测试:

由于负极材料在生产制造过程中很难避免磁性杂质,这些杂质将会影响加大电池的自放电,严重的则会造成电池的短路,所以,磁性物质的测试也是必不可少的,一般是通过电感耦合等离子体发射光谱仪测试样品中的铁、铬、镍、锌的含量。

石墨化度的测试:

通过XRD来进行测试,XRD的原理前面已经专题讲解,这里就不赘述了,另外需要多说明的是,通过XRD还可以计算出d002(层间距),也是一个比较重要的指标,废话不多说,直接上公式:

石墨化度: degree of graphitization(%)=(3.44-d002)/(3.44-3.354)

层间距d002:布拉格方程2dsin=nλ,式中,λ为X射线的波长,λ=1.54056 ,衍射的级数n为任何正整数;

通过此项测试,就可以了解所做的石墨材料和理想石墨的差别,并且可以通过控制不同的条件,得到不同种类的负极石墨材料。

外观形貌测试:一般通过SEM可以看出材料的外观形貌以及分布状态,如果想看的更清楚一些,就需要放大倍数更多的TEM了,可以分析内部的结构状态以及表面的包覆状态,如下图所示:

通过TEM可以看出石墨材料表面的包覆状态,甚至是石墨烯的层数也能看出来。随着检测设备方面的提升,AFM(原子力显微镜),光学显微镜以及扫描隧道显微镜(STM)以及一些原位的检测技术在材料形貌的表征方面都得到了广泛的应用。

首次充放电效率测试:这个图相信广大锂电同仁们很熟悉,组装扣式电池,进行首次充放电以及首次效率的测试和计算,一般刚开始组装时,由于手法以及熟练度的原因,往往组装出来的扣电一致性很差,测试数据也不好,这个不要担心,多装几次,每次多装几个,就能找出其中的关键点,从而达到想要的结果。

小结:作为本系列的第二篇,本文主要介绍了石墨负极材料基本性能的测试原理以及测试方法,随着研究的深入,一些更加深入的研究手段也开始在负极材料上开始应用,例如拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等,相信随着科技的发展,更多、更新、更好、更简便的测试手段也会在锂电行业上得到广泛应用。

参考文献:

1.GB/T24533-2009  锂离子电池石墨类负极材料

2.锂离子电池石墨负极表征手段研究

来源:北京赛车pk10开奖直播

作者:锂电联盟会长

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