锂电池正极材料中颗粒的粒度、粒形和颗粒圆度检测方案(图像粒度粒形)

SSL-CA20-082Excellence in Science Excellence in ScienceDIA-004 岛津企业管理(中国)有限公司-分析中心Shimadzu (China) Co.， LTD. - Analytical Applications CenterEmail：sshzyan@shimadzu.com.cn Tel：86(21)34193996http：//www.shimadzu.com.cn 动态颗粒图像分析系统 iSpect DIA-10测试锂电池正极材料颗粒的粒度、粒形和颗粒圆度 DIA-004 摘要：本文使用岛津动态颗粒图像分析系统 iSpect DIA-10 建立了测试锂电池正及材料颗粒粒度、粒形和圆度的方法。实验结果表明，使用 iSpect DIA-10 在获取锂电池正极材料中颗粒粒度的同时，还可直接观察颗粒的形状及圆度特征，仪器操作简便，数据稳定，可快速测定锂电池正极材料的颗粒信息。 近年来，随着科学的不断进步和技术的日臻成熟，锂电池行业快速发展。锂电池作为储能设备被广泛应用于电子电器，新能源汽车和太阳能及风能发电等。锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等构成，正极材料在锂电池的总成本中占据40%以上的比例，并且正极材料的性能直接影响了锂电池的各项性能指标，伴随着锂电池的需求量越来越大的同时，市场对锂电池的安全性能、充电效率和锂电池容量也提出了更高要求。 对于锂电池而言，正极材料粒径分布过宽，锂电池的均一性会受到影响；小粒径颗粒过多，会造成首次不可逆放电容量增加，并可能与电解液反应造成安全问题；大粒径颗粒不利于极片加工，造成异常突起， 实验部分 1.1仪器 比表面积降低等。电极材料的粒度分布会决定产生反应的表面积，从而影响反应速度。一方面，减小电极材料的粒度可以增大表面积，并有助于提高最大锂电池功率；而另一方面，如果电极材料的粒立太小，会减小电极颗粒之间空隙，而电解液数量会相应减少，从而影响到锂电池容量，还会减小电极表面与电解液的接触面积，可能降低锂电池内部的离子迁移率影响反应速度和降低锂电池功率。因此，锂电池材料的粒度通常要充分考虑兼顾电极的表面积和锂电池容量。所以有必要对锂电池材料的粒形和粒度分布进行分析。 本文采用岛津动态颗粒图像分析系统 iSpect DIA-10测试锂电池正极材料颗粒物的粒度和粒形，样品消耗量少，仪器简单易用，结果直观可靠。 图1 动态颗粒图像分析系统 iSpect DIA-10 1.2实验器皿及试剂 1mL移液枪及枪头，100 uL移液枪及枪头，50mL容量瓶， 10 mL容量瓶。 样品的前处理 称取某品牌锂电池正极材料25mg 样品于50mL容量瓶中，超纯水定容至刻度线，摇匀。再取 0.1 mL 于10mL容量瓶中，用超纯水定容至刻线，摇匀，待测。 样品测试 使用移液枪直接吸取样品，插入仪器进样口后自动测试，测定条件如如： 表1iSpect DIA-10分析条件 参数 参数设定 帧速率 10 fps 进样体积 500 uL 成像阈值 110 泵速 0.1 mL/min 结果与讨论 4.1粒径大小和分布 iSpect DIA-10软件数据处理可按照多种条件进行筛选排列颗粒测定结果，如面积等效直径、费雷德 (Feret)直径、周长、长宽比、圆度、最大长度等。此处，我们选择按面积等效直径从小到大对颗粒进行筛选排列，锂电池正极材料的部分粒形特征如图2~图7所示，图6和图7为部分颗粒放大后的粒形图，可更加直观清晰的观察颗粒的粒形和尺寸。 图2锂电池正极材料粒形图(a) 图3 锂电池正极材料粒形图(b) 图4 锂电池正极材料粒形图(c) 图5 锂电池正极材料粒形图(d) 50um 图6 锂电池正极材料粒立图(e) 图7 锂电池正极材料粒形图((f) 实验结果显示，该锂电池正极材料中的颗粒形状比较规则，大部分均为圆形，同时存在少量粒径较大且形状不规则的颗粒，可以使用软件的计算功能统计不同粒径范围颗粒的比例，不同粒径范围群颗粒数据统计如表2所示。 表2 锂电池正极材料颗粒粒径统计表 统计条件 颗粒数(个) 百分比(%) X<5 um 1958 69.5 5 um≤X≤10 um 795 28.3 10 um15um 4 0.1 注：X代表面积等效直径。 4.2颗粒圆度分析 Area Based Diameter(pm) 图8 锂电池正极材料颗粒圆度-面积等效直径分布图(上图)和粒径分布图(下图) 图8为锂电池正极材料中颗粒的圆度-面积等效直径分布图粒径分布图。圆度-面积等效直径分布图中纵坐标圆度 (Circularity)表示颗粒圆形的程度。圆度越接近1表示颗粒越圆，横坐标为颗粒的面积等效直径。上图黑色椭圆框中的点表示材料中存在少量直径较大的颗粒，经软件统计分析，可以―一对应找到具体的颗粒并进行粒形观察。测试软件可以实现对特定范围条件下颗粒个数、比例和圆度等的自动统计分析。这里举例如下：圆度在0.8~1.2以外(即形状不够圆)的颗粒通过软件自动计算，其比例如下表3所示。 表3 锂电池正极材料颗粒圆度统计表 统计条件 颗粒数(个) 百分比(%) 0.8≤Y<1.0 140 5.0 1.0≤Y<1.2 1426 50.6 Y≥1.2 1250 44.4 Y<0.8 0 0 注：Y代表圆度 结论 本文使用岛津动态颗粒图像分析系统 iSpect DIA-10 对切电池正极材料进行分析，同时获知了锂电池正极材料颗粒的粒度、粒形和颗粒圆度等信息。实验结果表明，该锂电池正极材料中的颗粒形状比较规则，大部分均为圆形，同时存在少量粒径较大且形状不规则的颗粒，样品颗粒圆度分布在0.8~1.0之间的颗粒百分比为5.0%，样品颗粒圆度分布在1.0~1.2之间的颗粒百分比为50.6%。使用动态颗粒图像分析系统 iSpect DIA-10对可获得样品颗粒粒度、粒形和圆度等更加全面的信息，可为锂电池材料生产和工艺改进提供参考和依据。 岛津应用云 本文使用岛津动态颗粒图像分析系统iSpect DIA-10建立了测试锂电池正极材料颗粒粒度、粒形和圆度的方法。实验结果表明，使用iSpect DIA-10在获取锂电池正极材料中颗粒粒度的同时，还可直接观察颗粒的形状及圆度特征，仪器操作简便，数据稳定，可快速测定锂电池正极材料的颗粒信息。