当前位置:首页 > 粉体资讯 > 行业要闻 > 正文
精微高博:比表面积分析仪在锂离子电池行业的应用
2022年12月08日 发布 分类:行业要闻 点击量:121
觉得文章不错?分享到:

比表面指单位质量粉体材料的总表面积,单位是m²/g。电池材料(钻酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂石墨、三元材料等)的比表面积是特别重要的物性指标,比表面积对浆料的配制、极片的涂布、电池首次库仑效率和循环性能等均有较大影响,了解电池材料的表面特性对其性能以及参数改善有很好的指导作用。

比表面积包含了外表面以及所有与表面相通的孔的内表面积

理想的非孔性物料只具有外表面积,有孔和多孔物料具有外表面积和内表面

对于粉体材料而言,比表面与颗粒度相关,颗粒越细,比表面越大;与颗粒表面的粗糙度相关,表面越粗糙,比表面越大;与颗粒表面的孔关系极大,多孔粉体的比表面积急剧增大,微孔发达的粉体材料的比表面可以高达每克几千平方米;

由于粉体颗粒十分细小,比表面无法直接测定,通常采用氮吸附法,即利用粉体材料表面的吸附特性,用氮分子作为“量具”,测试出粉体表面的氮气吸附量,并按照一定的物理模型计算出比表面积。

石墨负极

与其他碳材料相比,石墨类材料在反应过程中具有较低的嵌锂电位,同时生成的插锂层间化合物代替金属锂负极,从而避免了金属锂枝晶的沉积,因此安全性得以显著提高,且石墨材料来源广泛、价格便宜,是较早应用的负极材料,也是目前主流的锂离子电池负极材料。

石墨的粒径越小,会使得比表面积越大,锂离子迁移的通道更多、路径更短,倍率性能就比较好,但由于与电解液接触面积大,形成SEI膜的面积也大,造成首次容量损失过多,降低使用寿命,而且添加的粘结剂会比较多,造成内阻增加。包覆是一种有效的改性方法,可以使负极的循环性能得到很大的改善,经过包覆处理后,经过包覆处理后,无定形碳填补了石墨的裂缝和孔洞,可以降低其外比表面,避免生成过多的SEI膜还消耗较多的Li,其次是减少石墨表面的活性点,阻止溶剂分子嵌入而造成的不可逆损失。比表面仪对包覆工艺效果的评估有着重要意义。

天然石墨负极材料|JFE化工株式会社

天然石墨负极材料|JFE化工株式会社

SEI膜:在液态锂离子电池的首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是Li+的优良导体,Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此被称为“固体电解质界面膜”简称SEI膜。一方面,SEI膜的形成消耗了部分锂离子,使得首次充放电不可逆容量增加,降低了电极材料的充放电效率;另一方面,SEI膜具有有机溶剂不溶性,在有机电解质溶液中能稳定存在,并且溶剂分子不能通过该层钝化膜,从而能有效防止溶剂分子的共嵌入,避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏,因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。SEI膜起着防止电解质分解的作用,但会导致电池容量的损失。

“GB/T24533-2019锂离子电池石墨类负极材料”、“GB/T38824-2020软炭”、“GB/T30836-2014锂离子电池用钛酸锂及其炭复合负极材料”、《“硅碳”和“球形石墨”国家标准征求意见稿》等,都规定了作为锂离子负极材料的比表面积范围。

三元正极

三元前驱体是生产三元正极的关键性材料,通过与锂源混合烧结制成三元正极,其性能直接决定三元正极材料核心理化性能。三元前驱体比表面积、形貌直接决定三元正极比表面积、形貌。前驱体比表面过大,导致经烧结后生成的正极比表面积过大,一方面导致正极振实、压实密度下降,锂电池能量密度下降,同时正极材料与电解液界面反应加剧,电池循环寿命下降;另一方面由于空隙变多,锂离子传输通道变多,电池倍率性能提升。影响前驱体比表面的工艺参数很多,比表面仪可以为合成工艺条件的设定提供指导。

锂电池能量密度的提升,除了提高比容量以外,还可以通过提高充电截止电压、提高正极材料压实密度来实现。合成单晶三元正极材料是提高充电截止电压、压实密度的有效方法之一。普通三元正极形貌为一次单晶颗粒聚集成的球形或类球形二次颗粒,由多个微粒结合而成,粒度分布较宽。单晶三元正极材料特殊的一次单晶颗粒,比表面积低,有效降低了与电解液间的副反应,对于单晶三元正极而言小粒径单晶可一定程度降低单晶比表面积下降影响,提升倍率性能,不过小颗粒前驱体合成工艺扣控制难度更高。

磷酸铁锂正极

磷酸铁锂作为动力电池的正极材料,其比表面积与电池的性能密切相关。通常情况下,磷酸铁锂的比表面积与碳含量呈线性关系。生产中有比表面积测试仪进行测试。比表面积太小,说明材料的碳包覆量不够,直接体现是电池内阻偏高、循环性能不好。比表面积过大,说明材料的碳包覆量过高,直接的体现是材料的电化学性能极好,但易团聚、极片加工困难,且涂布不均匀等。

行业标准《YS/T1027-2015磷酸铁锂》明确规定了磷酸铁锂比表面积测试方法及流程。快速高效、精确规范的测试离不开性能优良的测试仪器,JW-DX系列快速比表面积测试仪,测试方法及数据符合《YS/T1027-2015磷酸铁锂》的要求。JW-DX比表面积测试仪采用专利号为20140320453.2的吸附法专利测试,完全避免了常温下样品脱附不完全带来的测试误差,非常适合粉体生产厂家的在线快速测定。

JW-D系列动态氮吸附比表面测定仪

JW-D系列动态氮吸附比表面测定仪

精微高博公司发明专利仪器JW-DX型动态吸附比表面测定仪被广泛应用于工业中生产线上产品的快速检测,测试准确、高效,非常适合三元材料、石墨等电池正负极材料、医药辅料等小比表面样品的测试。在-196度低温液氮环境下,通入一定流量比例的氮氦混合气体,采用高精度热导池根据样品吸附氮分子前后的气体浓度变化,得到吸附峰或脱附峰,峰面积正比于氮气吸附量,应用直接对比法或BET理论计算出样品的比表面积大小。

氧化钨负极

在储能研究领域中,氧化钨因其化学稳定性好、化学活性高、理论比容量大、导电能力强等优点,成为近年来的研究重点。氧化钨是一种缺陷态物质,表面的氧空穴可以成为导带的电子授体,从而使该材料成为n型半导体。因此,在实际应用中,通过增加纳米氧化钨材料的比表面积和表面缺陷,可以显著提高其吸附能力。

目前,研究者制备出许多种晶体结构的纳米氧化钨,如纳米空心球、海胆状纳米颗粒、纳米线、介孔纳米材料等,它们都具有较大的比表面积或表面缺陷,能提升锂电池负极材料物理化学吸附性能。目前,研究者制备出许多种晶体结构的纳米氧化钨,如纳米空心球、海胆状纳米颗粒、纳米线、介孔纳米材料等,它们都具有较大的比表面积或表面缺陷,能提升锂电池负极材料物理化学吸附性能。

硅碳负极材料

硅的理论比容量高达4200 mAh/g,远高于当前传统石墨负极372 mAh/g。硅基负极材料是目前锂离子电池高能量密度化最有效的技术方向,也是我国锂离子电池今后的重点发展方向,具有广阔的商业前景。但其在在循环过程中体积形变巨大(>300%),致使活性物质粉化,电极结构破坏以及有效电接触的损失,导致可逆容量的快速衰减甚至引发严重的安全问题阻碍了硅基负极材料的应用推广。

目前主要通过纳米化、多孔化、掺杂以及复合化等方式来改善硅材料的电化学性能。

硅碳复合材料作为一类应用潜力巨大的负极材料,成为近年来研究的热点。碳与硅相近似的化学性质,为两者的紧密结合提供了理论依据,所以碳常作为与硅复合的首选基质理论上,碳材料一般作为分散基质,限制硅颗粒的体积变化,并作为导电网络维持电极内部良好的电接触,有效抑制了硅基材料在充放电过程中的巨大体积变化,解决了电池体系严重的循环寿命问题,是当前高容量电池的最重要的负极体系。

纳米硅碳,通过硅基材料与石墨等高结晶碳的共混,并进一步调控材料的共混比例和尺寸(如纳米化)。硅碳复合材料的结构一般分为四类,即核壳结构、蛋黄结构、多孔型结构和嵌入型结构。多孔型结构设计能够改善Si/C负极性能,明显减小颗粒接触损失和界面应力,使得多孔Si/C复合材料的电极在循环过程中具有非常稳定的结构。此外,较大的比表面积和均匀分布的通道缩短了锂离子的扩散路径,增加了复合材料的反应活性,提高了电池倍率性能。

隔膜涂覆陶瓷粉体

锂离子电池隔膜的性能决定着电池的界面结构、内阻等,并影响着电池的容量、循环寿命,尤其电池的安全性能。为优化隔膜的热稳定性、抗锂枝晶穿刺等性能,通常在隔膜表面涂覆陶瓷涂层。目前,陶瓷隔膜的制备方式主要是将纳米或亚微米的陶瓷粉体(如氧化铝和勃姆石)、粘结剂等分散在溶剂中形成浆料,再通过涂布法或浸渍法在聚烯烃隔膜表面涂覆。一般而言,低粘度、高分散、高稳定陶瓷悬浮体是较为理想的陶瓷浆料。陶瓷隔膜一般使用纳米级陶瓷粉体,比表面积为1-12m2/g,优选为4-8m2/g,高的比表面积,可以使得涂覆后的隔膜对电解液具有良好的润湿性及保液率,可根据涂层厚度要求选择陶瓷颗粒的粒径大小。

TB400比表面积及孔径同步分析仪

TB400比表面积及孔径同步分析仪

TB系列比表面积及孔径分析仪,是北京精微高博科学技术有限公司的表征微纳米粉体材料表面物性及孔结构的仪器。该仪器采用最常用、最可靠的静态容量法气体吸附法分析材料的吸附行为。测试过程中多个样品共用同一杜瓦瓶同一气源进行测试分析,保证分析测试的准确性和重复性,真正实现多站间无差异化分析。

采用独有的Vstable控制技术保证测试的稳定性和准确性,使白炭黑、氧化铝等大孔材料的分析准确性更高、重复性和稳定性更好。TB系列比表面及孔径分析仪因其优越的测试性能广泛应用于各大高校及科研院所。


编辑整理:粉体圈

欲了解更多,点击进入北京精微高博仪器有限公司>>

本文为粉体圈原创作品,未经许可,不得转载,也不得歪曲、篡改或复制本文内容,否则本公司将依法追究法律责任

相关标签:
相关内容:
 

粉体求购:

设备求购:

寻求帮助:

合作投稿:

粉体技术:

关注粉体圈

了解粉体资讯