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電池材料粒度分布對(duì)鋰離子電池生產(chǎn)工藝和性能的影響
據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，2023年，我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)延續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，全國(guó)鋰離子電池總產(chǎn)量超過(guò)940GWh，同比增長(zhǎng)25%，行業(yè)總產(chǎn)值超過(guò)1.4萬(wàn)億元。經(jīng)過(guò)多年培育發(fā)展，鋰離子電池終于發(fā)展成為萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)。為了規(guī)范鋰離子電池行業(yè)的健康穩(wěn)健發(fā)展，國(guó)家相關(guān)部門先后制訂了涉及到鋰離子電池全產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而相關(guān)電池材料的粒度分布就是其中一項(xiàng)重要檢測(cè)指標(biāo)。下面，我們看一看這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)粒度分布的相關(guān)規(guī)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(xué)性能，進(jìn)而影響鋰離子電池的容量、能量密度、充放電性能、循環(huán)性能及安全性能等。
在鋰離子電池材料中，需要檢測(cè)粒度的粉體材料主要有正極材料及原材料、負(fù)極材料及原材料、導(dǎo)電添加劑、電解質(zhì)、隔膜涂覆材料。
正負(fù)極材料
OMEC
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(shí)，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(tuán)聚并與電解液發(fā)生副反應(yīng)，電池內(nèi)阻升高，充放過(guò)程中會(huì)積聚過(guò)多能量，溫度升高，從而導(dǎo)致安全隱患；同時(shí)，粒徑越小的材料不可逆容量增加，降低電池的循環(huán)性能。如果材料中混入少數(shù)超大顆粒，會(huì)導(dǎo)致在極片生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)劃痕、斷帶現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。
粒徑較小的負(fù)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(shí)，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(shù)超大顆粒，會(huì)導(dǎo)致在極片生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)劃痕、斷帶現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。
正極材料和負(fù)極材料原料的顆粒的粒徑大小影響到正極材料和負(fù)極材料的生產(chǎn)工藝控制及成品性能。比如，三元前驅(qū)體的粒度影響三元材料的煅燒時(shí)間及晶粒大小一致性。粒徑越小的前驅(qū)體煅燒時(shí)間越短；粒徑分布越窄的前驅(qū)體，煅燒時(shí)熱量從材料表面?zhèn)鲗?dǎo)到材料中心的時(shí)間一致性越高，晶粒生長(zhǎng)時(shí)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(duì)正極材料的生產(chǎn)工藝和性能也有著重大影響。
導(dǎo)電添加劑
OMEC
導(dǎo)電添加劑顆粒的粒徑太小，容易發(fā)生團(tuán)聚，不能與活性物質(zhì)充分接觸，導(dǎo)致導(dǎo)電作用降低；如果粒徑太大，導(dǎo)電添加劑顆粒不能嵌入到活性物質(zhì)中，同樣會(huì)降低導(dǎo)電添加劑的導(dǎo)電作用。如果材料中混入少數(shù)超大顆粒，會(huì)導(dǎo)致在極片生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)劃痕、斷帶現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。
電解質(zhì)
OMEC
對(duì)于電解液的電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，電解質(zhì)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(dān)著運(yùn)輸鋰離子的重任，質(zhì)量的好壞直接影響鋰離子電池的電化學(xué)性能，并很大程度上影響鋰離子電池的安全性能。
涂覆隔膜
OMEC
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(wú)機(jī)材料，從而提升隔膜的高溫性能、穿刺強(qiáng)度、親液性能等。
涂覆材料粒度大小及分布對(duì)涂覆隔膜的性能起著決定性的作用。以常用的氧化鋁涂覆隔膜為例，一般采用亞微米級(jí)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(huì)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(duì)電解液的親和性，同時(shí)保持較好的機(jī)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(huì)增加，隔膜的化學(xué)性能會(huì)迅速下降。
綜上所述，粒度分布測(cè)試已成為提升鋰離子電池性能的重要檢測(cè)手段，選擇一款高性能的激光粒度分析儀就成為了研發(fā)機(jī)構(gòu)、材料生產(chǎn)廠家、電芯生產(chǎn)廠家的共同需求。一款好的激光粒度分析儀應(yīng)該具備良好的測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性、重現(xiàn)性、分辯能力、易操作性等。
測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性是指測(cè)試結(jié)果能夠反映顆粒的真實(shí)大小，盡管粒度測(cè)量不宜引用“準(zhǔn)確性”這一指標(biāo)，但這并不意味著測(cè)量結(jié)果可以漫無(wú)邊際地亂給。測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性是激光粒度分析儀最根本的分析性能，如果沒有測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性做基礎(chǔ)，儀器的重復(fù)性、重現(xiàn)性等其它性能就失去了討論的意義。
測(cè)試結(jié)果的重現(xiàn)性是指將同一批樣品多次取樣的測(cè)試結(jié)果的重復(fù)誤差，誤差越小，表示重現(xiàn)性越好。重現(xiàn)性的好壞取決于儀器獲取光能分布數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、對(duì)雜散光的控制能力、對(duì)中精確度、光源和背景的穩(wěn)定性、進(jìn)樣器的分散性能等。只有具備良好重現(xiàn)性的儀器才能對(duì)測(cè)試樣品的粒度分布進(jìn)行可靠的評(píng)價(jià)，有利于用于多個(gè)樣品之間差異的準(zhǔn)確識(shí)別。
激光粒度分析儀的分辨能力指的是儀器對(duì)樣品不同粒徑顆粒的測(cè)量分辨能力以及對(duì)給定粒度等級(jí)中顆粒含量的微小變化識(shí)別的靈敏程度。一般來(lái)說(shuō)，除了影響重現(xiàn)性的因素外，散射光能分布角度和光強(qiáng)的精準(zhǔn)獲取，低背景噪聲的光學(xué)電子設(shè)計(jì)，高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換及反演計(jì)算水平都對(duì)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(zhǔn)確識(shí)別測(cè)試樣品的細(xì)微粒徑變化。
▲ 激光粒度分析儀的原理結(jié)構(gòu)
激光粒度分析儀的易操作性是指操作簡(jiǎn)單、故障率低、易于日常維護(hù)保養(yǎng)。如果儀器的易操作性不高，即便有良好的測(cè)試性能，也不能高效滿足用戶的測(cè)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(yè)被廣泛應(yīng)用的高性能激光粒度分析儀。量程寬、重現(xiàn)性好、分辨能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、故障率低等優(yōu)異性能保證了測(cè)試結(jié)果和分析能力，而且與國(guó)內(nèi)外、行業(yè)上下游黃金標(biāo)準(zhǔn)保持一致，不僅為用戶節(jié)省了方法開發(fā)和方法轉(zhuǎn)移上的時(shí)間和成本，更重要的是可以避免粒徑檢測(cè)不準(zhǔn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)論在產(chǎn)品研發(fā)、過(guò)程控制還是質(zhì)量控制上，都能夠?yàn)橛脩魩?lái)真正的價(jià)值。
▲ 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(guó)思百吉集團(tuán)全資收購(gòu)后，利用思百吉集團(tuán)的全球資源全新打造的旗艦產(chǎn)品，具有量程寬、重現(xiàn)性好、精度高、測(cè)試結(jié)果真實(shí)、自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，真正站在了當(dāng)前粒度檢測(cè)領(lǐng)域的前沿。
▲ 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(yù)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。該儀器引入了先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合歐美克近30年的技術(shù)積累，采用全球化的供應(yīng)鏈體系，使激光衍射法的測(cè)試范圍達(dá)0.01-3600um。
Topsizer Plus保持了Topsizer量程寬、重復(fù)性好、分辨力高、真實(shí)測(cè)試性能強(qiáng)和智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)一步提升光學(xué)設(shè)計(jì)、硬件和反演算法，拓展了其測(cè)試范圍以及實(shí)際測(cè)試性能，代表了當(dāng)前國(guó)產(chǎn)激光粒度儀的最高技術(shù)水平。