聚合物鋰電池理化性能和電化學(xué)性能分析方法

　　聚合物鋰電池的特點(diǎn)是在結構上采用鋁塑軟包裝，在發(fā)生安全隱患時(shí)，只會(huì )發(fā)生鼓包，并不會(huì )發(fā)生爆炸等危險；同時(shí)具有厚度小、更輕薄、低內阻等特點(diǎn)；另外聚合物鋰電池可彎曲性大，可根據需求定制形狀。因為這些特點(diǎn)，所以聚合物鋰電池的應用十分廣泛。

　　聚合物鋰電池的組成部分是由正極材料、隔膜、負極材料、電解液、外殼五部分組成。其中正極材料是聚合物鋰電池中最為關(guān)鍵的部分，正極材料物理、化學(xué)性能的提升，能很大程度上提高聚合物鋰電池的性能。

　　現階段正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰等，聚合物鋰電池正極材料的粒度、形貌、比表面積、振實(shí)密度、結構、成分等理化性能和電化學(xué)性能對聚合物鋰電池正極材料的應用有著(zhù)重要的影響。準確分析測定這些性能參數對聚合物鋰電池正極材料研發(fā)者和使用者都有著(zhù)重要的意義。

一、聚合物鋰電池正極材料理化性能分析方法

　　聚合物鋰電池正極材料需要分析的理化性能主要包括粒度、形貌、比表面積、振實(shí)密度、結構和成分。

1.聚合物鋰電池正極材料粒度分析

　　聚合物鋰電池正極材料的粒度及粒度分布對電池的安全性能和極片的壓實(shí)密度有較大影響，同時(shí)也對電池材料的電性能有影響。粒度分析方法主要有沉降法、篩分法、庫爾特法、電鏡統計觀(guān)察法、電超聲粒度分析法、激光衍射法、動(dòng)態(tài)光散射法。聚合物鋰電池正極材料的粒度分析應用最多的是激光散射法，測試步驟主要參考標準GB/ T19077-2016。

　　激光散射法的原理是：顆粒樣品以合適的濃度分散于適宜的液體或氣體中，使其通過(guò)單色光束，當光遇到顆粒后以不同角度散射，由多元探測器測量散射光。通過(guò)適當的光學(xué)模型和數學(xué)過(guò)程，轉換這些量化的散射數據，得到一系列離散的粒徑段上的顆粒體積相對于顆?？傮w積的百分比，從而得出顆粒粒度體積分布。原理示意圖如圖1。

圖1 激光散色法原理示意圖

　　激光散射法操作簡(jiǎn)單、測試快捷、適應廣泛，重復性好。用激光散射法測量聚合物鋰電池正極材料的粒度及粒度分布時(shí)，要確定好正極材料的折射率和吸收率，否則測量會(huì )出現誤差。朱果等采用激光散射法原理的激光粒度儀對鈷酸鋰正極材料的粒度進(jìn)行了測試，分析表明測試數據誤差較小，重現性好。

2.聚合物鋰電池正極材料形貌分析

　　材料的形貌分析最常用的手段是掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)。有時(shí)根據材料形貌的特殊要求，也用到掃描隧道顯微鏡(STM)和 原子力顯微鏡(AFM)。

　　聚合物鋰電池正極材料的形貌分析主要用到的是掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。SEM一般只能提供聚合物鋰電池正極材料微米或亞微米的形貌信息。TEM分辨率更高，可以達 到0.1nm～0.2nm，除了對樣品進(jìn)行形貌分析，還可以分析樣品的晶體結構。粟智等采用TEM對錳酸鋰的形貌進(jìn)行了分析，分析結果如圖2。從圖中可以清晰的看到樣品的形貌，同時(shí)也可以看出樣品結晶度良好。

圖2 樣品TEM圖

3.聚合物鋰電池正極材料比表面積分析

　　聚合物鋰電池正極材料的比表面積與材料的加工性能有關(guān)。因此比表面積分析也是聚合物鋰電池正極材料理化性能分析中重要的一項。聚合物鋰電池正極材料比表面積分析方法主要采BET法。BET法的原理是：將試樣放入盛樣器，然后置于液氮中，此條件下，試樣表面將發(fā)生物理吸附。用壓力計測量吸附達到平衡時(shí)的平衡吸附壓力，容量法或色譜法測量樣品吸附的氣體量。最后將平衡吸附壓力和吸附的氣體體積帶入BET方程式， 計算求出試樣的比表面積。BET測試方法和步驟參考GB/T13390-2008。

4.聚合物鋰電池正極材料振實(shí)密度分析

　　聚合物鋰電池正極材料的振實(shí)密度關(guān)系到電池制作過(guò)程中的壓實(shí)密度，是材料能量密度的考核指標之一。聚合物鋰電池正極材料的振實(shí)密度分析主要采用振動(dòng)法，原理是：稱(chēng)取一定量的樣品置于玻璃量筒中，通過(guò)振動(dòng)裝置使量筒里的粉末逐漸被振實(shí)，直至粉末的體積讀數不再變化，記錄此時(shí)的體積數。將先前稱(chēng)取粉末的質(zhì)量數除以記錄的體積數，就得到樣品的振實(shí)密度。振實(shí)密度測試方法和步驟參考GB/T5162-2006。

5.聚合物鋰電池正極材料結構分析

　　聚合物鋰電池正極材料的結構決定了鋰離子脫嵌路徑方式的不同，對聚合物鋰電池的電化學(xué)性能等產(chǎn)生明顯影響。聚合物鋰電池正極材料結構分析方法有X射線(xiàn)衍射(XRD)法、紅外光譜法、拉曼光譜法等。X射線(xiàn)衍射法是最常用的結構分析方法。利用XRD可以對材料進(jìn)行物相定性分析、物相定量分析以及測定材料的結晶度。對不同手段制備的磷酸鐵鋰用XRD對其結構進(jìn)行了分析，分析圖譜如圖3。從圖中可以看出，不同手段制備的磷酸鐵鋰樣品，XRD圖有一定的差異，說(shuō)明XRD分析能很好的反應樣品的結構變化。

圖3 磷酸鐵鋰的XRD圖譜

　　紅外光譜屬于分子振動(dòng)光譜，是由于分子振動(dòng)能級躍遷和分子轉動(dòng)能級躍遷而形成的帶光譜。紅外光譜法是利用紅外光譜對物質(zhì)分子結構進(jìn)行定性和定量分析的方法。在聚合物鋰電池正極材料結構分析，廣泛使用XRD和紅外光譜相結合的方法。通過(guò)考察正極材料紅外吸收峰的變化，分析正極材料晶體結構的變化。

　　拉曼光譜與紅外光譜一樣，均源于分子的振動(dòng)和轉動(dòng)能級躍遷。通過(guò)拉曼光譜法可以直接獲得物質(zhì)的分子結構信息。拉曼光譜法分辨率高、重現性好。在聚合物鋰電池正極材料的研究中，利用拉曼光譜可以研究聚合物鋰電池正極材料充放電過(guò)程的結構變化。采用非原位拉曼光譜時(shí)，將聚合物鋰電池正極材料停留 在某個(gè)充電或放電狀態(tài)時(shí)取出，測量其拉曼譜，得到正極材料此時(shí)的結構，然后跟充電或放電前的狀態(tài)對比，可獲得電池正極材料充放電前后的結構變化。而采用原位拉曼光譜，更是可以實(shí)時(shí)獲得聚合物鋰電池正極材料充放電過(guò)程的結構變化信息。

6.聚合物鋰電池正極材料成分分析

　　聚合物鋰電池正極材料成分分析主要分為主體元素成分分析和摻雜元素成分分析。摻雜元素成分分析因為摻雜元素含量較低，分析方法相對簡(jiǎn)單。根據摻雜元素的含量和種類(lèi)可以采用吸光光度法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜 法(ICP-MS)、原子吸收光譜法(AAS)等。

　　主體元素成分分析因為元素含量高，如果采用常規的低含量雜質(zhì)元素的分析方法，容易產(chǎn)生較大的誤差。所以主體元素分析通常采用滴定法。如陳平等研究了在大量干擾元素錳、鈷存在的情況下，丁二酮肟沉淀-EDTA滴定法測定正極材料中鎳的含量的方法。研究結果表明，該方法標準偏差小于0.054，變異系數小于0.20％，回收率在99.63％～100.5％之間。

　　GB/T30835-2014中規定磷酸鐵鋰中鐵含量的分析采用重鉻酸鉀標準溶液滴定法。磷含量的分析采用磷鉬酸銨容量法。如果主體元素中個(gè)別元素含量相對較低，也可采用ICP-OES、AAS等。研究建立聚合物鋰電池電極材料LiCoO2中Li的分析方法，確定采用AAS和ICP-AES，該測定方法準確、簡(jiǎn)便和快速。

二、聚合物鋰電池正極材料電化學(xué)性能分析方法

　　聚合物鋰電池正極材料的電化學(xué)性能主要包括首次放電比容量、首次充放電效率、放電平臺容量比率、倍率性能、循環(huán)壽命等。

　　對于鈷酸鋰正極材料，GB/T23665-2009中規定了鈷酸鋰首次放電比容量及首次充放電效率的測試方法。采用半電池測試這兩個(gè)參數，電池制作方法和測試過(guò)程標準中有詳細介紹。GB/T23366-2009中規定了鈷酸鋰放電平臺容量比率及循環(huán)壽命的測試方法。測試步驟標準中也有詳細介紹。對于鎳鈷錳酸鋰正極材料，YS/T798-2012規定了鎳鈷錳酸鋰首次放電比容量、首次充放電效率、平臺容量比率及循環(huán)壽命的測試方法。標準中規定這些參數的測定參照鈷酸鋰的測試方法執行。對于磷酸鐵鋰正極材料，GB/T30835-2014中規定了磷酸鐵鋰首次庫倫效率、首次可逆比容量、倍率性能的測定方法。測試步驟標準中也有詳細規定。

　　除了以上手段對聚合物鋰電池正極材料的電化學(xué)性能進(jìn)行分析，還可以采用循環(huán)伏安法和電化學(xué)交流阻抗法對正極材料的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行表征。吳建波等采用循環(huán)伏安法和電化學(xué)交流阻抗法對錳酸鋰粉體及薄膜電極的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了分析，找出影響其電化學(xué)性能的主要動(dòng)力學(xué)因素。圖4是其循環(huán)伏安圖譜。通過(guò)圖譜中的氧化還原電位差，可以反映電極材料的可逆性。

圖4 循環(huán)伏安曲線(xiàn)

　　圖5是錳酸鋰粉體在不同電極電位下的膜電阻和膜電容圖。通過(guò)圖中膜電阻和膜電容的情況，可以反映鋰離子嵌脫反應阻力的大小。

圖5 錳酸鋰粉體的膜電阻和膜電容隨電極電位的變化

三、 總結

　　材料理化性能和應用性能的分析方法很多，從中篩選和確定適合聚合物鋰電池正極材料性能的分析方法，有助于聚合物鋰電池正極材料工作者準確分析自己材料的性能，也有助于不同聚合物鋰電池正極材料工作者相互之間數據的比較，對推動(dòng)聚合物鋰電池正極材料的發(fā)展有重要的意義。

本文鏈接：http://www.xiutv647.com{dede:field.arcurl/}

諾信新聞,諾信公司新聞,鋰電池行業(yè)新聞,展會(huì )新聞