鋰離子電池負(fù)極材料 石墨類(lèi)材料性能檢測(cè)

上一篇主要介紹了負(fù)極材料的基礎(chǔ)知識(shí)，那當(dāng)我們拿到一個(gè)負(fù)極材料的時(shí)候，要怎樣才能對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試呢，有怎樣根據(jù)一些基本的物理性能來(lái)對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行選擇呢，本系列的第二篇將帶你了解石墨負(fù)極性能測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)以及基本的判斷指標(biāo)。

看著這些黑不溜秋的粉末，我們很難從外觀上判斷出來(lái)是什么類(lèi)型的負(fù)極材料，沒(méi)關(guān)系，負(fù)極廠家已經(jīng)給我們分好類(lèi)了，外觀顏色為黑色或者剛灰，并且具有金屬光澤，分為天然石墨（Nature Graphite）和人造石墨（Artificial Graphite），一般縮寫(xiě)為NG和AG，以后看到這個(gè)縮寫(xiě)也就明白是什么意思了。

石墨類(lèi)基本的性能有粒度分布、比表面積、振實(shí)密度、磁性物質(zhì)含量、石墨化度、外觀形貌、首次充放電容量以及首次效率等基本的性能，下面將根據(jù)各個(gè)基本參數(shù)來(lái)詳細(xì)說(shuō)明測(cè)試方法以及基本的判斷指標(biāo)。

粒度分布測(cè)試：

激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測(cè)試粒度分布，當(dāng)一束平行光遭遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分廣將發(fā)生散射，散射廣的傳播方向和主光束的傳播方向性形成散射角，它的大小和顆粒的大小有關(guān)，顆粒越大，產(chǎn)生的散射角越小，反之則越大；同時(shí)，散射光的強(qiáng)度代表該粒徑顆粒的數(shù)量，所以，在不同的角度上測(cè)量散射光的強(qiáng)度，就可以得到樣品的粒度分布，一般會(huì)得到D10、D50、D90的的粒徑大小的參數(shù)，代表的含義是10%、50%、90%的顆粒尺寸在所測(cè)得的尺寸值以下，也會(huì)得到D10、D50、D90的的粒徑體積分布的參數(shù)，含義也是一樣的。

比表面積測(cè)試：

基于氮吸附法測(cè)定固體比表面和孔徑分布是依據(jù)氣體在固體表面的吸附規(guī)律進(jìn)行測(cè)試的，在恒定溫度下，在平衡狀態(tài)時(shí)，一定的氣體壓力，對(duì)應(yīng)于固體表面一定的氣體吸附量，改變壓力可以改變吸附量。平衡吸附量隨壓力而變化的曲線(xiàn)稱(chēng)為吸附等溫線(xiàn)，對(duì)吸附等溫線(xiàn)的研究與測(cè)定不僅可以獲取有關(guān)吸附劑和吸附質(zhì)性質(zhì)的信息，還可以計(jì)算固體的比表面和孔徑分布。一般而言，顆粒小的負(fù)極材料比表面積大于顆粒大的負(fù)極材料，在與正極、電解液搭配使用時(shí)需要考慮這些物理指標(biāo)。

振實(shí)密度測(cè)試：

其測(cè)試原理裝有粉末或顆粒的刻度量筒固定在機(jī)械振動(dòng)裝置上，振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械振動(dòng)裝置垂直上下振動(dòng)，裝有粉或顆粒的刻度量筒隨機(jī)械振動(dòng)裝置而發(fā)生有節(jié)拍的振動(dòng)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，刻度量筒里的粉末或顆粒逐漸振實(shí)，振動(dòng)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的次數(shù)后，機(jī)械振動(dòng)裝置停止振動(dòng)，讀出刻度量筒的體積，根據(jù)密度的定義：質(zhì)量除以體積、從而求出振實(shí)后的粉末或顆粒密度。這個(gè)參數(shù)和顆粒的尺寸、顆粒的形狀密切相關(guān)，還直接影響著負(fù)極材料在加工時(shí)候的另一個(gè)重要指標(biāo)——壓實(shí)密度，進(jìn)而影響電池的厚度。

磁性物質(zhì)測(cè)試：

由于負(fù)極材料在生產(chǎn)制造過(guò)程中很難避免磁性雜質(zhì)，這些雜質(zhì)將會(huì)影響加大電池的自放電，嚴(yán)重的則會(huì)造成電池的短路，所以，磁性物質(zhì)的測(cè)試也是必不可少的，一般是通過(guò)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)試樣品中的鐵、鉻、鎳、鋅的含量。

石墨化度的測(cè)試：

通過(guò)XRD來(lái)進(jìn)行測(cè)試，XRD的原理前面已經(jīng)專(zhuān)題講解，這里就不贅述了，另外需要多說(shuō)明的是，通過(guò)XRD還可以計(jì)算出d002（層間距），也是一個(gè)比較重要的指標(biāo)，廢話(huà)不多說(shuō)，直接上公式：

石墨化度：degree of graphitization（%）=（3.44-d002）/（3.44-3.354）

層間距d002：布拉格方程2dsin?=nλ，式中，λ為X射線(xiàn)的波長(zhǎng)，λ=1.54056 ?，衍射的級(jí)數(shù)n為任何正整數(shù)；

通過(guò)此項(xiàng)測(cè)試，就可以了解所做的石墨材料和理想石墨的差別，并且可以通過(guò)控制不同的條件，得到不同種類(lèi)的負(fù)極石墨材料。

外觀形貌測(cè)試：

一般通過(guò)SEM可以看出材料的外觀形貌以及分布狀態(tài)，如果想看的更清楚一些，就需要放大倍數(shù)更多的TEM了，可以分析內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及表面的包覆狀態(tài)，如下圖所示：

通過(guò)TEM可以看出石墨材料表面的包覆狀態(tài)，甚至是石墨烯的層數(shù)也能看出來(lái)。隨著檢測(cè)設(shè)備方面的提升，AFM（原子力顯微鏡），光學(xué)顯微鏡以及掃描隧道顯微鏡（STM）以及一些原位的檢測(cè)技術(shù)在材料形貌的表征方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

首次充放電效率測(cè)試：

這個(gè)圖相信廣大鋰電同仁們很熟悉，組裝扣式電池，進(jìn)行首次充放電以及首次效率的測(cè)試和計(jì)算，一般剛開(kāi)始組裝時(shí)，由于手法以及熟練度的原因，往往組裝出來(lái)的扣電一致性很差，測(cè)試數(shù)據(jù)也不好，這個(gè)不要擔(dān)心，多裝幾次，每次多裝幾個(gè)，就能找出其中的關(guān)鍵點(diǎn)，從而達(dá)到想要的結(jié)果。

小結(jié)：

作為本系列的第二篇，本文主要介紹了石墨負(fù)極材料基本性能的測(cè)試原理以及測(cè)試方法，隨著研究的深入，一些更加深入的研究手段也開(kāi)始在負(fù)極材料上開(kāi)始應(yīng)用，例如拉曼光譜（Raman）、X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等，相信隨著科技的發(fā)展，更多、更新、更好、更簡(jiǎn)便的測(cè)試手段也會(huì)在鋰電行業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。