原廠通知
2022-11-14
美國micromeritics / 2022年11月份電子報 -用氣體吸附 BET 表面積和 DFT 表面能分析電池負極材料
說明
鋰離子電池是一種先進的技術，將在能源向可再生和可持續的解決方案過渡中發揮關鍵作用。高能量密度、長循環壽命和安全性的提高推動了它們的應用。在汽車、電網儲能和電子消費品領域的應用將繼續推動它們在未來幾年的增長。
負極是電池的關鍵組成部分，石墨由於成本低、含量豐富、無毒和結構穩定，因此一直是電池的主要材料。然而，為了提高電池性能，人們正在研究石墨烯和氧化石墨烯等替代材料。本應用筆記將使用幾種 Micromeritics 物理吸附儀器分析這三種材料。
本案例對鋰離子電池常用負極材料石墨進行了 BET 表面積和 DFT 表面能分佈表徵，並與其它替代負極材料進行了比較。
材料及設備
商業石墨負極粉末 (Sigma Aldrich Lot# MKCK3331)、氧化石墨烯 (Sigma Aldrich Lot# MKCP6914) 和石墨烯 (Sigma Aldrich Lot# MKCP4019) 在三台 Micromeritics 物理吸附儀器上進行分析：Gemini、TriStar 和 3Flex。
Gemini 是專門為快速表面積測量而設計的。它使用了吸附質速率注氣方法，按照樣品吸附氣體的速率注氣，這使得速度比典型的測壓儀器更快。此外，對每個分析進行空白管校正，可以得到精確的結果，誤差更小。這允許用氮氣吸附氣體進行低比表面積分析，這比用氪分析更實惠。另一方面，TriStar 是為高通量實驗室環境設計的，在一個杜瓦瓶中有效地分析三個樣品。TriStar 也有氪氣選項可用於低表面積 BET 分析。3Flex設計用於高通量研究，具有多種功能，包括微孔和蒸汽分析，以及氪分析，並支援靜態或動態化學吸附實驗。
實驗
所有樣品在 300°C 的抽空條件下，在 Smart VacPrep 上脫氣 60 分鐘。稱重樣品以獲得脫氣後樣品品質後，將其安裝在每個儀器上，以在液氮溫度 77K 下使用氮氣吸附氣體進行分析。在 TriStar 和 Gemini 上收集了從 0.05 到 0.3 的 11 個點的相對壓力。在 3Flex 上收集了飽和壓力點前的完全吸附和脫附等溫線。
表面積
從不同 Micromeritics 的物理吸附儀上收集的 BET 表面積結果顯示出良好的重複性，如下表所示。
常用負極材料氮吸附BET表面積結果
有意思的是，當選擇典型的 0.05-0.3 相對壓力範圍進行 BET 計算時，石墨和石墨烯樣品都無法獲得可靠的 BET 擬合線性度。當選擇典型壓力範圍時，BET 計算如圖 2 所示。
選取典型相對壓力0.05-0.3 P/P0 3Flex 負極的BET
石墨和石墨烯在這個範圍內都有兩個線性區域。在圖 3 所示的 Rouquerol 變換圖中，這些多個線性區域更加顯著地顯示出來，這在為 BET 計算選擇合適的相對壓力範圍時起到了很好的指導作用，尤其是當線性 BET 相對壓力擬合範圍偏離典型的 0.05-0.3 相對壓力時。
隨著壓力的增加，這些不同尋常的等溫線也反映了相應的轉變，即氮在石墨烯薄片表面的堆積轉變。