【熱點應用】鈉電與鋰電正極材料的粒度分析有何不同？

本文摘要

本文通過利用Masterziser 3000和Morphologi-4 對一種鈉離子電池正極材料的進行粒度粒形測試，證明典型的鈉離子電池正極材料更適合用干法分散或乙醇分散，揭示出與鋰離子正極材料在分散劑的選擇上的差異。

實驗背景

粒度分布是電池原材料的一項重要檢測項目，它影響著正極材料的涂層質量，繼而影響電池的性能。長期以來鋰離子材料作為主要的正極材料，廣泛應用于電極生產，例如磷酸鐵鋰，三元鋰電極材料。通常根據(jù)材料表面是否改性，上述材料大多使用水作為分散介質進行樣品分散，進而準確分析樣品的粒度和粒徑分布。

隨著技術的發(fā)展，越來越多的廠家開始研究鈉離子材料作為正極材料，并對該新材料也提出了粒度測試的要求，原鋰電正極材料的分析方法是否可以復制呢？我們帶著這樣的疑問對鈉電正極材料展開測試。

實驗過程及結論

待測試的鈉離子電池正極材料樣品為黑色粉末，流動性較好，與常規(guī)三元材料類似。按照過去的分散方法，可以直接用水分散，超聲對結果影響很小，穩(wěn)定性好，單峰且分布較窄。我們先按照鋰電材料的分散方法進行測試。

該鈉電正極材料加入水中，隨著攪拌，可以看到粒徑分布從窄峰逐漸變寬，小顆粒迅速增加，遮光度急劇升高，結果穩(wěn)定性極差，且溶液顏色從黑色變成了紅褐色。

Figure 1 鈉離子電池正極材料樣品在水中的Mastersizer30000粒徑測試結果

這些跡象表明，該種鈉離子電池正極材料與水很可能發(fā)生了反應，將干粉樣品、水中變紅樣品分別在Morphologi4粒形分析儀的顯微鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)明顯差別。結果如下：

Figure 2-1 鈉離子電池正極材料樣品使用干法分散后的顆粒圖像（圖片來自M4）

Figure 2-2 鈉離子電池正極材料樣品使用水分散后的顆粒圖像（來自M4）

圖像法證實了我們的想法：這種鈉離子電池正極材料在水中的粒度是不穩(wěn)定的，要準確測量其顆粒粒度，需要更換分散方法或者分散介質。我們首先選擇了乙醇作為分散介質進行實驗。

實驗選用Hydro SM進樣器，取少量具備代表性樣品；根據(jù)樣品團聚情況選擇外置超聲分散。

在乙醇中，樣品為雙峰分布，粒徑很穩(wěn)定，即使用超聲分散，小顆粒組分稍稍變多，整體與圖像觀察非常吻合。使用Mastersizer 3000分析粒度分布圖如下：

Figure 3 鈉離子電池正極材料樣品在乙醇中不同超聲時間的Mastersizer 3000 粒徑測試結果

Figure 4 鈉離子電池正極材料樣品在乙醇中分散的顆粒圖像（來自M4）

之后，實驗選擇干法分散再次測試。根據(jù)樣品團聚情況選擇文丘里管，測試結果重現(xiàn)性也很不錯，隨著壓力的增加，小顆粒的含量逐漸上升，這表明摩擦力對樣品分散力更為有效。為了和濕法進行對比，我們選擇與濕法分散最為相近的1bar分散壓力。干法分散 Mastersizer 3000的檢測結果如下：

Figure 5 鈉離子電池正極材料樣品用干法在不同壓力下Mastersizer3000粒徑測試結果以及與乙醇中測試對比

結論

典型的鈉電正極材料與常規(guī)的鋰電正極材料在水中的分散情況差異很大，會隨著攪拌或超聲反應得到大量的小顆粒，無法得到穩(wěn)定粒徑結果。更換為乙醇或者干法分散，樣品結果重復性和重現(xiàn)性都非常優(yōu)秀。

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