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电池材料

锂电池应用介绍资料

一、概述

锂电池是指能使锂离子嵌入/脱嵌的化合物为正、负极的可循环使用的,由锂金属或锂合金为材料、使用非水电解质溶液的电池。是二次电池技术中能量密度最高、综合性能最好的电池。锂电池工作原理较简单,在充放电过程中,锂离子在正负两极及电解液之间定向运动。锂电池主要是由四部分构成的:正极、负极、隔膜、电解液。其性能主要取决于电极材料和电解液的结构和性质,尤其是电极材料的质量。

二、锂电池为什么要控制粒径

1. 锂电池工艺控制关键点:

在电池生产工艺过程中,浆料的制备过程以及浆料的涂布过程是整个工艺过程的基础,直接决定电池的性能和产品质量。这两道工艺非常关键,它们又涉及到粉末颗粒和悬浮液流体,因此浆料的颗粒特性对电池加工过程具有重要的影响,工艺过程中,浆料内部的颗粒分布与特性与工艺过程的相互影响,最终决定质量和性能的优劣。

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1. 锂电池工艺控制关键点

 

2.为什么要控制粒径

锂离子电池的充放电过程是一种离子穿越相界面的过程。因而锂离子电池的正负极材料的颗粒大小和形貌直接影响着锂离子的扩散系数和颗粒表面发生的电化学反应。颗粒越小,形貌越规整,锂离子扩散的路径就越短,锂离子的扩散系数就越大;同时颗粒的比表面积也就越大,颗粒表面的电化学反应就越充分、越迅速,因而也就使正极材料的电化学性能更好地发挥出来。另外颗粒的大小和形貌也直接影响着材料的密度。因此我们需要控制锂电池材料的颗粒形貌、粒度及其分布,来得到的振实密度和电化学性能更优异的正负极材料。

活性物质颗粒的粒径、形貌、含量,以及各组分之间的相互作用等都会对浆料特性有影响,从而形成不同的涂布加工性能和最终电池性能的差异。而涂布过程由浆料特性、涂布工艺参数、设备结构等参数的控制。浆料的好坏对涂布加工起到决定性影响,比如涂层的厚度均匀性、边缘效应等都和浆料有关。涂布厚度及其均一性影响锂离子在活性物质中的嵌入和脱出。例如负极面密度较厚不均一, 因此充电过程中各处极化大小不同, 就有可能发生金属锂在负极表面局部沉积。此外,使用条件不当也会引起电池的短路,低温条件下,由于锂离子的沉积速度大于嵌入速度,从而导致金属锂沉积在电极表面引起短路。因此,控制好正负极材料的比例,控制粒径大小,增强涂布的均匀性等是防止锂枝晶形成的关键。

另一方面,锂离子电池安全性问题是个复杂的综合性问题。电池安全性最大的隐患是电池随机发生的内短路,产生现场失效,引发热失控。所以开发和使用热稳定性高的材料是将来改善锂离子电池安全性能的根本途径和努力的方向。

负极材料的热稳定性与负极材料的种类、材料颗粒的大小以及负极所形成的SEI膜的稳定性有关。如将大小颗粒按一定配比制成负极即可达到扩大颗粒之间接触面积,降低电极阻抗,增加电极容量,减小活性金属锂析出可能性的目的。

对于隔膜而言而言,孔率为40%左右,且分布均匀,孔径为10nm的隔膜能阻止正负极小颗粒运动,从而提高锂离子电池的安全性;

三、粒径检测方法

传统上电池材料一般在微米级别,常用的粒径检测手段是应用激光衍射仪检测,目前方法及方案已经很成熟,这里就不多赘述。

目前国内锂电池企业已经从原来一味的追求电池容量变成对整体性能的追求,开始对一致性以及电池的安全性投入更深入的研究。为了满足更高的要求,传统的粒度检测手段已经不能满足目前的研究需求。

1.负极材料尾端大颗粒

前面我们提到负极材料的涂布厚度不均一很容易造成各处极化大小不同,导致金属锂在负极表面沉积,负极涂布厚度相较正极又很纤薄,故而大粒子的存在很容易造成涂布不均匀。为了获得高效,真实的颗粒分布情况,我们使用基于单颗粒光学传感技术的光阻法(SPOS)对负极材料的尾端颗粒进行分析检测,从而获得真实的尾端粒径分布及数量。却别与传统的激光衍射仪检测结果的D99值等,SPOS技术可以一颗颗数出每一颗通过的颗粒,识别出这颗颗粒的粒径,从而获得最真实的尾端颗粒结果,下图是过筛前后的某种负极材料的结果,蓝色为过筛前,红色为过筛后,基于SPOS技术,可以准确获得是否成功去除影响涂布的尾端大颗粒。

2.某负极材料过筛前后对比

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2.电解液杂质

传统电解液杂质检测的目光主要集中在水,氟化氢,有机酸、醇、醛、酮、酰胺类物质,铁、镍、铝等金属杂质离子。对于杂质颗粒的重视程度很低,仅进行澄明度检测。但随着工艺的升级,目前日本锂电池企业已经要求电解液供应商需提供杂质颗粒浓度报告,国内的厂商也开始关注并跟进标准的升级。同样通过SPOS技术的计数手段,我们可以对电解液中的杂质颗粒进行准确检测,并且对于生产中的每一个环节进行监控,从而减少外源污染,保证产品质量。

一方面对不同工艺、配方的产品进行分析,观察生产、储存、运输过程中杂质颗粒的产生的差异,进一步确认产品的稳定性。另一方面我们对滤芯、外包装进行检测分析,保证滤芯活化足够,包装洁净。

3 过滤前后电解液杂质颗粒检测结果

过滤前

过滤后

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3展示的是一款电解液过滤前后的颗粒含量,传统上认为过滤即洁净,其实滤芯本身也有拦截效率和活化的概念,正确使用才能确保质量可靠。

3.纳米材料

纳米材料的检测一般使用动态光散射法即可,但是往往看似相同粒径的产品却在品质上存在巨大差别,就是因为一般的纳米粒度仪仅提供平均粒径和累积分布,无法半段尾端大颗粒的存在,导致分析不到真正的粒径差异,下图是同样两个粒径的产品,乍一看粒径分布相似,没有太大差异,但是通过Nicomp多峰分布和超声的进行,样品1的尾端大颗粒显现并且逐渐解开团聚,样品2则一直保持稳定,未出现太大变化。

4 纳米材料粒径分析

样品1

样品2

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四、粒度检测解决方案

美国PSS可以提供电池行业更深入的粒径检测方案,为锂电池行业的发展贡献微薄之力。

关键点

解决方案

纳米材料平均粒径

微米材料粒径及数量检测

1.异常颗粒检测

2.浆料尾端粒子控制

3.电解液杂质颗粒

4.纳米颗粒分析

NicompZ3000

(平均粒径、多峰(异常颗粒)、D10D90PI值、Zeta电位等)

AccuSizerA7000AD系列

(计数分析,尾端粒子控制,杂质颗粒污染检测)