激光粒度儀在鋰電池正極材料粒度檢測中的作用

        隨著新能源汽車產業和智能穿戴設備等行業的迅速發展,鋰電池正極材料的研發和生產逐漸成為國內外關注的焦點話題。其中開發具備高容量、長循環,高安全性能和價格低廉等優點的鋰離子電池正極材料已成為電池行業的主流,并且正處于高速發展的狀態。據統計,2021年1月初,鋰離子電池在汽車行業處于滿產排產狀態,發展潛力巨大,前景廣闊。

        常用的鋰離子電池正極材料有磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、碳酸鋰和高鎳三元材料等,它們的粒徑分布是影響電池性能的關鍵因素,其粒度分布可優化鋰電池的能量和功率。百特實驗室采用Bettersize2600激光粒度儀檢測了5種磷酸鐵鋰樣品,它們的粒度分布如下:

圖1 磷酸鐵鋰顆粒的粒度分布

表1
樣品 D10(μm) D50(μm) D90(μm)
A 0.388 1.057 3.126
B 0.370 0.991 2.790
C 0.387 0.956 2.970
D 0.973 4.228 11.150
E 0.985 10.190 18.330

        圖1中,磷酸鐵鋰A、B和C的粒度分布相差較小,粒徑也較細,D的粒度較大,E的粒度最大。粒徑較細的磷酸鐵鋰顆粒比表面積較大,縮短了鋰離子在電池內部的擴散路徑,從而促進了鋰電池電化學反應活性。但粒徑過小顆粒團聚加劇,鋰離子的固相擴散系數反而降低導致電池的內阻增大,部分電流在高內阻的影響下轉換成熱量,導致鋰電池熱損耗贈大,進而影響電池的容量和放電性能。

        目前,常用的磷酸鐵鋰分為兩大類,其中一類是D50在1 μm-2.5 μm范圍內的,其電化學性能最佳,有利于鋰電池的有效放電量達到理想水平;另一類是D50在3.5 μm-8 μm范圍內的,如上表中的樣品D和E,。這類磷酸鐵鋰做成的電池內阻較大,熱損耗增大,進而對鋰電池的壽命、容量、倍率和安全等性能產生影響。

        從表1中可以看出,樣品A、B、C三種的平均粒徑在1 μm左右,是較為理想的指標,樣品D的平均粒徑在4 μm,超過理想的粒度指標,而樣品E的平均粒徑超過10 μm,極可能影響鋰離子在電極活性材料中的固相擴散,進而降低電池的有效放電量。

        那么,用百特激光粒度儀測試鋰電池的正極材料的適用性怎樣呢?我們選擇了一種磷酸鐵鋰,連續測試7次,其中D10、D50和D90的重復性分別為0.13%, 0.07% 和 0.09%,這個精度遠遠低于激光粒度儀國際標準ISO13320的要求。因此采用Bettersize2600激光粒度儀檢測磷酸鐵鋰的粒度分布,其檢測結果可靠性較高。

圖2 同一樣品的重復性