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電池材料粒度分布對鋰離子電池生產(chǎn)工藝和性能的影響
據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，2023年，我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)延續(xù)增長態(tài)勢，全國鋰離子電池總產(chǎn)量超過940GWh，同比增長25%，行業(yè)總產(chǎn)值超過1.4萬億元。經(jīng)過多年培育發(fā)展，鋰離子電池終于發(fā)展成為萬億產(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)重要檢測指標(biāo)。下面，我們看一看這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對粒度分布的相關(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，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，充放過程中會積聚過多能量，溫度升高，從而導(dǎo)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(huán)性能。如果材料中混入少數(shù)超大顆粒，會導(dǎo)致在極片生產(chǎn)過程中出現(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，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，會導(dǎo)致在極片生產(chǎn)過程中出現(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間及晶粒大小一致性。粒徑越小的前驅(qū)體煅燒時間越短；粒徑分布越窄的前驅(qū)體，煅燒時熱量從材料表面?zhèn)鲗?dǎo)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(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，會導(dǎo)致在極片生產(chǎn)過程中出現(xiàn)劃痕、斷帶現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。
電解質(zhì)
OMEC
對于電解液的電解質(zhì)來說，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(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，隔膜的厚度會增加，隔膜的化學(xué)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(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)該具備良好的測試結(jié)果的真實(shí)性、重現(xiàn)性、分辯能力、易操作性等。
測試結(jié)果的真實(shí)性是指測試結(jié)果能夠反映顆粒的真實(shí)大小，盡管粒度測量不宜引用“準(zhǔn)確性”這一指標(biāo)，但這并不意味著測量結(jié)果可以漫無邊際地亂給。測試結(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。
測試結(jié)果的重現(xiàn)性是指將同一批樣品多次取樣的測試結(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、對雜散光的控制能力、對中精確度、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)性的儀器才能對測試樣品的粒度分布進(jìn)行可靠的評價，有利于用于多個樣品之間差異的準(zhǔn)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(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)確識別測試樣品的細(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(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)、自動化程度高、故障率低等優(yōu)異性能保證了測試結(jié)果和分析能力，而且與國內(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)移上的時間和成本，更重要的是可以避免粒徑檢測不準(zhǔn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失和風(fēng)險(xiǎn)，無論在產(chǎn)品研發(fā)、過程控制還是質(zhì)量控制上，都能夠?yàn)橛脩魩碚嬲膬r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年被英國思百吉集團(tuán)全資收購后，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、測試結(jié)果真實(shí)、自動化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，真正站在了當(dāng)前粒度檢測領(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)測試性能強(qiáng)和智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，通過進(jìn)一步提升光學(xué)設(shè)計(jì)、硬件和反演算法，拓展了其測試范圍以及實(shí)際測試性能，代表了當(dāng)前國產(chǎn)激光粒度儀的最高技術(shù)水平。