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動(dòng)力鋰離子電池系列二:負(fù)極材料解決方案

來源:島津企業(yè)管理(中國)有限公司   2021年02月23日 17:47  

背景簡介SHIMADZU

上一篇文章里面,我們介紹了當(dāng)前商品化的動(dòng)力鋰離子電池當(dāng)中正極材料及其檢測的綜合解決方案,本篇我們將介紹負(fù)極材料及其檢測方面的相關(guān)知識(shí)。

 

負(fù)極材料是鋰離子電池儲(chǔ)存鋰的主體,鋰離子在充/放電過程中嵌入/脫出于負(fù)極材料,因此負(fù)極在電池放電時(shí)流出電子。鋰電池的*效率、循環(huán)性能等受負(fù)極材料影響較大,其性能也受負(fù)極材料的直接影響。從成本上看,負(fù)極材料占鋰電池總成本5~15%左右。

 

當(dāng)前有多種碳系和非碳系類型材料可作為鋰離子電池的負(fù)極材料。但綜合考慮性能/成本等因素,目前商品化的負(fù)極材料,主要活性成分仍然是天然石墨或人工石墨,其他成分為用于改善性能用的添加劑(例如碳納米管)以及粘結(jié)劑等。將幾種材料充分勻漿后,涂布在集流體——銅箔上,再干燥、輥壓、切片形成鋰電池的負(fù)極。因此分析檢測也是從這些組成成分的角度來進(jìn)行。

 

負(fù)極材料的完整解決方案

 

國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)涉及負(fù)極材料的并不多,目前有以下四項(xiàng):

 

 

實(shí)際的研發(fā)、生產(chǎn)及質(zhì)控過程中則會(huì)涉及較多的檢測指標(biāo)。島津具備多種表征及測試設(shè)備,可幫助負(fù)極材料企業(yè)及電池企業(yè)應(yīng)對(duì)各種測試需求。

 

 

特色應(yīng)用SHIMADZU

1、 晶體結(jié)構(gòu)和石墨化度(G)的檢測

石墨有兩種晶相——六方相和菱方相。一般情況下兩種結(jié)構(gòu)共存,只是比例不同。它們的比例關(guān)系,可以通過X射線衍射儀來進(jìn)行測定。

 

石墨化度(G)是衡量碳素物質(zhì)從無定形碳通過結(jié)構(gòu)重排,其晶體接近完美石墨的程度。G值越大則越容易石墨化,同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的有序程度也越高,相應(yīng)的晶格缺陷就越少,電子的遷移阻力就越小。終表現(xiàn)為如果G值越高,電池的性能越好,另外也可以通過G值來估算鋰離子電池的克容量。

 

石墨化度的測試需要測定C(002)峰位,它的測定對(duì)峰位準(zhǔn)確度要求很高,通常采用摻入硅粉內(nèi)標(biāo)的辦法消除制樣誤差和裝樣誤差,利用Si(111)實(shí)測峰位和標(biāo)準(zhǔn)峰位的角度差來校正C(002)角度。島津的X射線衍射儀具有高穩(wěn)定性、高安全性、簡便快捷的操作軟件等優(yōu)點(diǎn),對(duì)負(fù)極材料的晶體結(jié)構(gòu)和石墨化度檢測具有較好的效果。

 

XRD-6100

 

XRD測試參數(shù)

 

 

石墨化度的測試譜圖

 

譜圖經(jīng)過Basic Process程序處理,得到衍射角的測試值,經(jīng)布拉格公式可以計(jì)算出面間距,代入富蘭克林公式即可得到石墨化度。

 

石墨化度計(jì)算結(jié)果

 

 

2、 XPS表征鋰電池負(fù)極表面元素分布

 

負(fù)極集流體(銅箔)在高溫處理階段如不加以處理,表層銅會(huì)被氧化從而影響電池性能,因此會(huì)采用表面鈍化處理來抑制該問題的發(fā)生。鈍化的手段一般是在表面鍍上含六價(jià)鉻(Cr6+)的膜層。對(duì)于六價(jià)鉻的價(jià)態(tài)分析,目前僅有X射線光電子能譜儀(XPS)能較好地應(yīng)對(duì)測試需求。

 

AXIS SUPRA+

 

島津的AXIS SUPRA+型XPS具有高靈敏、高分辨(空間、能量)和智能化的特點(diǎn),可較好地應(yīng)對(duì)這方面的測試需求。下例是使用AXIS SUPRA+型XPS來表征負(fù)極集流體的表面氧化程度。

 

 

 

測試結(jié)果表明:探測到Cr6+,因此確實(shí)有鈍化的產(chǎn)生;但銅箔表面并未全部有Cr6+的覆蓋,因此仍然有部分產(chǎn)生了氧化層。

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