美國micromeritics / 2022年七月份電子報 -鋰離子電池正極三元NCM材料的真密度分析

前言

鋰離子電池以其特有的性能優勢已在筆記型電器、攝影機、移動通訊中得到普遍應用。隨著能源的緊缺和世界環保方面的壓力，鋰離子電池被普遍應用於電動車行業，從一開始的電動摩托車，到現在廣泛普及的新能源電動車，再到未來計畫全面取代燃油公車的新能源公車，新能源車以其無污染、節能、經濟等特點，慢慢的走進了人們的視線，並在國家政策的大力推動下，逐步取代燃油車，成為人們主要的代步工具。隨著對新能源車的需求不斷增加，以及對新能源車性能的要求不斷提高，對高性能鋰離子電池的需求也不斷增大，鋰離子電池的研發和生產單位如雨後春筍般大量湧現出來。

鋰離子電池有四大關鍵材料：正極、負極、隔離膜和電解液。其充放電原理如下圖所示：

其中，正極材料是決定鋰離子電池性能和成本的重要因素，也是限制電池容量進一步提高的關鍵因素；是電池能量密度提高的關鍵技術突破方向，從磷酸鋰鐵（LFP）、三元到高鎳三元，電池能量密度不斷提升。出於對材料能量密度、循環壽命、成本以及安全性的考慮，目前，最熱門的正極材料主要是磷酸鋰鐵（LFP）和鎳鈷錳酸鋰（NCM）三元電池材料。

對鋰離子電池正極材料研發和生產過程中的性能分析，是確保鋰離子電池最終性能必不可少的重要過程。材料的密度測試，正是需要考察的一個重要指標。對於研發人員來說，提高正極材料的真實密度，意味著可以提高鋰離子電池的能量密度，提高電池的性能；而在生產過程中，保證正極材料真密度指標穩定，是確保鋰離子電池產品穩定的重要操作。

本文中，我們使用了美國micromeritics儀器公司的AccuPyc II真密度分析儀，對鎳鈷錳酸鋰（NCM）三元電池材料的密度進行了分析。AccuPyc II採用氣體置換法原理，利用He作為氣體介質，置換材料空隙及孔隙中的空氣，獲得材料的實際體積資料，並根據測試樣品的質量，計算出材料的真實密度。氣體測密度法是世界公認的測骨架體積和密度的最可靠的技術之一。該技術採用氣體置換法測試出體積，所用氣體為惰性氣體，如氦氣或氮氣，所以能夠達到非破壞性檢測的狀態。並且，由於氣體分子比較小，所以測得的真密度比傳統的阿基米德浸入法更準確，重複性更高。下圖是儀器的分析原理圖，樣品在樣品倉中形成密封環境，打開1閥，氣體進入樣品倉，達到一定壓力後，閥門關閉，待樣品與氣體達到平衡後，壓力感測器讀取此時壓力P1。之後2閥打開，氣體則會從樣品倉擴散進入擴散倉，待兩個倉內的氣體和樣品達到平衡後，壓力感測器讀取此時壓力P2。之後基於理想氣體狀態方程PV=nRT，換算出材料的真實體積V，代入ρ=m/V，計算出材料的真實密度。

分析原理圖

實驗步驟：

1. 清潔樣品槽：先用水清洗，用柔軟的紗布或紙巾擦拭，亦可用乙醇進行沖洗，常溫晾乾或90℃烘乾。

2. AccuPyc II儀器開機：測試前，先打開AccuPyc II主機及操作軟體進行主機短暫的預暖機。

3. 稱樣：先把10cc的樣品杯置於四位數天平上，讀數穩定後，去淨重。將樣品杯拿出裝入樣品，樣品體積大概佔據樣品杯體積80%-90%。再次進行稱樣，獲取樣品實際質量，並記錄下來。之後把樣品杯放入到儀器樣品倉中。

4. 設定測試條件：設定測試條件中最重要的參數是質量、壓力和測試次數。質量決定了測試結果的準確性，一定要輸入正確的質量。測試次數決定著測試時間，測試次數越多，測試時間越長。本實驗採用的測試條件為：測試壓力P=19.5 psi；吹掃次數10次；測試次數10次。

5. 進行分析

6. 報告資料

測試結果及分析：

經過測試，我們得到了如下結果：

NCM的體積平均值為3.3577 g/cm³，標準差為0.0010 g/cm³；密度平均值為4.5769 g/cm³，標準差為0.0014 g/cm³。

經由密度和體積表格可查看每一次循環測試的結果。

從上面的表格中可以看出，材料的真實體積都在3.35 cm³範圍內，僅在小數點後第三位出現浮動，計算得出的密度約為4.57 g/cm³，同樣僅在小數點後第三位出現浮動。這個變化可以說非常小了。

接下來我們以體積對循環次數做圖，並以平均體積做標準線，可以得到下圖所示的結果。圖中紅色的圓點是十次的體積測試值，中間紅色的水平線為體積平均值。通過這個圖不難看出，十次測試的體積結果是圍繞著體積平均值波動，非常穩定，並未出現持續走低等異常現象。該圖中的綠色曲線是儀器內部的溫度變化曲線。從圖中可以看出，整個測試過程中，儀器內部溫度僅由26.76℃增加到26.98℃，過程中所到達的最高溫度是27℃。整個測試過程中，最大溫度浮動不超過0.3℃。並且在溫度浮動到27℃時，儀器自動散熱，將溫度穩定下來。

用質量除以體積，即可得到密度。於是，可使用密度對循環次數做圖。從圖中可以發現，密度曲線的趨勢跟體積曲線相符，僅顯示出180°翻轉的關係。

結論

本文作者使用了美國micromeritics儀器公司的AccuPyc II系列全自動密度儀測試了鋰離子電池正極材料NCM的真實密度。測試過程操作簡單，快速，可精確的測試及計算電池材料的真實體積和密度。NCM的體積平均值為3.3577 g/cm³，標準差為0.0010 g/cm³；NCM的密度平均值為4.5769 g/cm³，標準差為0.0014 g/cm³，測試結果的僅在小數點後第三位浮動，非常穩定。所得的真密度結果可用作材料的研發分析以及生產品保指標。

資料來源：micromeritic官網

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