使用兩探針及四探針方法測得的電阻率差異

粉末材料性能與電池容量、倍率及安全性能密切相關(guān)，而粉末材料電阻率是粉末性能評估的關(guān)鍵參數(shù)之一。粉末材料電阻率常用的測定方法有兩探針和四探針兩種方式（如圖1），兩探針法的測試電極分別置于樣品上下兩側(cè)，通過施加激勵電流，檢測樣品上下兩側(cè)的電壓，最終得到樣品的整體電阻，并可通過樣品成型尺寸換算得到樣品的電阻率；四探針法的測試電極置于樣品同側(cè)，通過在外電極施加激勵電流，內(nèi)電極檢測電壓，實現(xiàn)粉末材料表面電阻率的測定。

本文一方面選取鋰離子電池及鈉離子電池常用的粉末材料：石墨（GR）、磷酸鐵鋰（LFP）、鎳鈷錳三元（NCM）、鈷酸鋰（LCO）、富鋰錳基（LRM）、普魯士藍（PBF），評估其使用兩探針及四探針方法測得的電阻率差異；另一方面以鎳鈷錳三元（NCM）及石墨（GR）為代表，評估不同測試方法下取樣量對粉末材料電阻率及壓實密度測定結(jié)果的影響。

圖1粉末材料電阻率測定方法

左：兩探針 右：四探針

01

不同方法下粉末材料電阻率測定

?測試設(shè)備：

采用PRCD3100（IEST-元能科技）對6種粉末材料進行兩探針及四探針電阻率測定，設(shè)備如圖2。

圖2. (a）PRCD3100外觀圖

（b）PRCD3100結(jié)構(gòu)圖

?測試參數(shù)：

施加壓強范圍10-200MPa，保壓10s。

?取樣質(zhì)量：

NCM/LCO/LRM 2.0000g，LFP/GR/PBF 1.0000g。

?測試結(jié)果：

以上6種粉末材料在使用兩種測試方法測得的電阻率均隨壓力的增大而呈現(xiàn)遞減趨勢，且趨勢一致（如圖2左圖）。取90MPa壓強下的電阻率值進行對比分析，GR/LFP/LRM/PBF/LCO四探針測試結(jié)果均小于兩探針的測試結(jié)果，而NCM四探針的測試結(jié)果大于兩探針，且這種差異在低壓強下更明顯（如圖2），這種差異與材料本身狀態(tài)（顆粒大小、吸潮狀態(tài)等）密切相關(guān)。因此，用戶可根據(jù)不同樣品類型的測試結(jié)果的穩(wěn)定性選擇合適的測試方法。

圖2. 左：兩種方法下電阻率隨壓強的變化

右：90MPa下兩種方法測試絕對值的對比

02

取樣量對粉末材料電阻率測定的影響

?測試設(shè)備：

采用PRCD3100（IEST-元能科技）的兩探針模式評估不同取樣量的NCM粉末電阻率，采用四探針模式評估不同取樣量的GR粉末電阻率，測試設(shè)備同1.1。

?測試參數(shù)：

施加壓強范圍10-200MPa，保壓10s。

?取樣質(zhì)量：

NCM：0.5000g、1.0000g、1.5000g、2.0000g、2.5000g

GR：0.6000g、0.8000g、1.0000g、1.2000g、1.4000g。

?測試結(jié)果：

使用兩探針方法對不同取樣量的NCM粉末的電阻率測定結(jié)果顯示，在低壓強條件下，電阻率受取樣量的影響較大（如圖3，表3），對同一壓強下不同取樣量的電阻率及壓實密度一致性進行評估，結(jié)果顯示，大壓強下電阻率一致性更優(yōu)（如表3：COV）；壓實密度測試結(jié)果顯示，取樣量對壓實密度的影響相對較小，但在實際壓實密度評估中，樣品壓實密度測定極差一般要求小于0.05g/cm3，因此在實際評估中也需要保證取樣量的一致性。

圖3.（圖a）兩探針方法下NCM不同取樣量電阻率

（圖b）壓實密度隨壓強的變化曲線

表3.兩探針方法下NCM不同取樣量電阻率

及壓實密度測定差異對比

使用四探針方法對不同取樣量的GR粉末的電阻率測定結(jié)果顯示，在低壓強條件下，電阻率和壓實密度受取樣量的影響更大（如圖4，表4），對同一壓強下不同取樣量的電阻率及壓實密度一致性進行評估，結(jié)果顯示，大壓強下電阻率一致性更優(yōu)（如表4：COV）；壓實密度測試結(jié)果顯示，小壓強下取樣量對壓實密度的影響更大；與兩探針NCM不同取樣量相比，四探針GR電阻率及壓實密度受取樣量的影響更大，這可能是由于GR電阻率及壓實密度本身偏小，更易因取樣量的差異而造成明顯波動，故實際測定中需考慮取樣量的一致性。

圖4.四探針方法下GR不同取樣量電阻率（圖a）

壓實密度（圖b）隨壓強的變化曲線

表4.四探針方法下GR不同取樣量電阻率

及壓實密度測定差異對比

03

測試總結(jié)

本文對比兩種測試方法對常見鋰電粉末的電阻率和壓實密度測試差異，發(fā)現(xiàn)樣品類型不同時，電阻率的大小趨勢也不同。另外，對比了不同取樣量對電阻率和壓實密度的差異時，發(fā)現(xiàn)在低壓強下取樣量的影響程度更大。因此選擇合適的測量方法及測試條件對粉末材料電阻率進行測定，可有效評估粉末制成工藝的穩(wěn)定性，同時幫助研發(fā)人員提前預(yù)估成品電芯的內(nèi)阻及倍率性能，有效加快研發(fā)進度。

審核編輯 ：李倩