使用激光衍射粒度分析法测定电池材料的特性

简介

电池市场迅速壮大。 人们对手机和笔记本电脑等便携式电子设备需求的增长，要求电池技术取得巨大进步，从而提供轻便、耐用而又稳定的电源。 电池技术在电动车辆中的应用也在进一步推动其发展，该行业要求蓄电池具有更轻便，而且功率高、充电速度快的特点。

为了能够以合理的成本达到所需的能量密度，一次（一次性）电池和二次（可充电）电池均采用多种不同材料加工而成。 其中，电池设计的一个重要因素就是电极中所用材料的粒度，因为该参数有助于确定电池电量和容量。 在本应用说明中，我们对电池生产中的一些常用材料以及如何使用激光衍射技术测量这些材料的粒度进行了研究。

粒度要求

电池的性能可根据电池可以储存的电量或电池可以产生的电能进行表征。 对于特定电池化学成分和电池尺寸，可对其性能进行优化以实现较高的能量容量或较高的功率 [2]。 电池的电量或其载流能力取决于电极和电解质之间的反应速率。 这会受到电极材料粒度分布的影响，因为粒度分布决定了电极材料的可用表面积。 通过减少电极材料的粒度以及增加电极材料的表面积，可以提高电池的最高电量。

但是，电池的蓄能能力取决于电池内电解质的体积。 因此，我们要对电极和电解质所占空间进行权衡。 减小电极材料的粒度可以增加表面积，但也会影响电极材料颗粒之间的空隙，从而降低电解质的总体积和电池容量。 如果这些空隙变得过小，则电极表面与电解质之间的接触也会减少。 这可能会降低电池内的离子迁移率，影响反应速率，降低电池电量。 因此，电极中通常会将粗细颗粒混合使用以增大表面积，此外，加入细颗粒材料，还可以控制电极材料的整体装填系数。 这样，电极和电解质之间能够取得良好接触 [4、5]。

颗粒大小及其分布在电池生产过程中也非常重要，因为它会影响电池的振实密度和可压缩性。 这两者对于碱性电池（阴极由压缩成型工艺加工而成）的生产来说是非常重要的参数。 对结块现象进行监测至关重要，因为它可能会影响阴极表面的质量。

粒度测量

粒度信息可以通过激光衍射法测得。 Mastersizer 是一款动态量程在 0.01 微米 至 3500 微米之间的激光衍射仪。 测量时，悬浮于液体或空气中的颗粒会穿过激光束并产生散射光，后者将被以各种角度放置的探测器所采集。 通过这种方法获取粒度信息的原理是，大颗粒散射低角度的光，而小颗粒散射高角度的光。 可以使用适当的散射模型从这些角散射数据中获取粒度分布信息。

Mastersizer 粒度分析仪拥有广泛的粒度测量，尤其适合测量电池材料，因为它通过单次测量即可表征出电极中常用的纳米级颗粒和微米级颗粒混合物的特性。 其次，由于激光衍射对于颗粒体积非常敏感，因此对于那些在生产过程中可能引发问题的少量结块物特别敏感。

结果

锂离子电池

我们使用 Mastersizer 粒度分析仪对锂离子电池中的两种成分即钴酸锂和锂离子磷酸盐进行了测定。 钴酸锂是一种行业标准材料，能够提供较长的使用寿命和较高的能量密度。 但是，由于钴具有毒性，因此这种材料存在污染环境的缺点。 但是使用磷酸铁锂就不必担心环境问题，此外它还具有成本低、安全性更高和充电速度快等其他优势。 与钴酸锂相比，磷酸铁锂的缺点是能量密度较低。

钴酸锂和磷酸铁锂的粒度分布见图 1。 通过该图，可以轻松评估平均粒度和整体分布宽度。 锂钴氧化物样品的 Dv50 为 7.7 微米，而磷酸铁锂样品的 Dv50 为 11.1 微米。 这些材料在粒度分布上的差异可能与各种特定应用所需的能量密度和电池大小有关。

图 1：两种锂离子电池电极材料的粒度分布

碱性电池

本文所研究的碱性电池材料是一种阴极材料：电解二氧化锰 (EMD)。 研究中，对三种等级的 EMD 进行了测量（图 2），每种等级均对粗颗粒材料（尺寸约为 30 微米）和细颗粒材料（尺寸约为 150 纳米）的混合物。 这样混合是为了通过增大电极的表面积来提升电池的性能。 三种等级呈现出粒度分布的主模态尺寸的增大，样本 EMD 1、2 和 3 的主模态尺寸分别为 29 微米、37.4 微米及 53.13 微米。 随着主模态尺寸的加大，表面积随之减少，但这种影响会因细颗粒的存在而抵消，因为细颗粒能够增大表面积，从而维持电源输出。

图 2：三种等级的 EMD 的粒度分布

主模态的尺寸可能与使用该材料的电池的尺寸有关。 尺寸较大的电池可能含有颗粒较大的电极材料，因为用于装配电极的空间不太受限制。 因此，无需将阴极材料处理为较细的颗粒即可获得总体上较大的表面积。 从电解质体积和离子迁移率上讲，它还提供了其他可能的优势。 因此，EMD 1 可能用于 AA 或 AAA 电池，而 EMD 2 和 EMD 3 可能用于较大的 C 或 D 型电池以支持增大的容量 [6]。

结论

电池中电极材料的粒度分布对于确定电池的性能至关重要。 对于给定的化学材料和电池尺寸，可以对电极材料的粒度分布进行调整以优化电池电量和电源。 为了实现较高的蓄能能力，必须最大限度增大电解质的体积。 但是，就提供较高的电量而论，电极的表面面积更加重要。 因此，电池制造商能够迅速、轻松地测量电极材料的粒度分布至关重要。 激光衍射法拥有广泛的粒度测量范围，通过单次测量即可表征纳米级颗粒和微米级材料混合物的特性，因此是测量此类材料的理想方法。 此外，激光衍射法还具有对体积敏感的特点，因此该方法还可有效地检测材料中是否存在那些在生产过程中可能引发问题的过大或结块物。

参考文献：

[1]《超快速充放电电池材料》，B Kang、G Ceder，《自然》，2009 年 3 月 12 日，第 458 卷

[2] 电池结构，www.mpoweruk.com

[3]《纳米二氧化锰与电解二氧化锰混合的合成效应》

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闫超、刘卓钦，《中国地质大学学报》第 18 卷，发行于 2007 年 2 月

[4]《碳粉粒度对锂离子电池放电容量的影响》，Sato Y.、Nakano T.，《电源技术》，1998 年第 75 卷

[5]《粒度对锂电池中钴酸锂的温度相关性能的影响》Sun Hee Choi、Ji-Won Son，《电源技术》，2006 年第 158(2) 卷

[6] www.timcal.com