锂离子电池

锂离子电池

用于表征电池材料物理特性的分析仪器

锂离子电池的研究、开发和利用是世界上发展最快的工业领域之一。许多产品,包括心脏起搏器、无人机、汽车,甚至现在的飞机,都依赖于电池供电。确保电池安全、强大和可靠比以往任何时候都更加重要。

然而,电池的安全性、性能和寿命亦取决于制造它的材料。具体来说,电极、隔膜和电解液从进入生产设施开始直到它们被整合到最终产品中,都需要进行全面的表征和监控。

必须测量的参数包括:电极表面积、晶体结构、颗粒和微晶尺寸、孔径、电极浆料流动和固化特性、原材料的化学品纯度、隔膜孔径和结构特性、电解质黏度、密度和闪点。

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固体电极材料

锂离子电池的电极(正极和负极)在离子传输中起着重要作用,因此对于高效的能量传输至关重要。这些电极由压实的颗粒材料组成。这些材料的化学成分和物理特性都将对电池的性能、生命周期和安全性产生重大影响,进而影响电池的设计优化以符合其预期用途。电极材料的物理特性,例如表面积、颗粒大小,晶粒尺寸和形状,孔径,对单个电池内的电荷交换有直接影响。其他物理属性,例如晶体结构,固体和骨架密度以及电极材料颗粒的 zeta 电位,均在电池的内部的导电性中起着关键作用。电池的耐用性不仅与电极涂层的质量有关,而且与电极本身的附着力有关。其可以通过可量化的划痕测试准确评估。开发电极材料的另一个关键步骤是测试重金属污染。微波酸消解是重金属分析的样品前处理制备步骤。使用 XRD 或 SAXS 等方法,还可以表征完整电池组件中电极材料的特性,以监测充电和放电过程中的变化。

电极浆料

正确设计和开发正负极浆料的混合和涂覆工艺是电池性能的重要组成部分。了解浆料的密度、黏度、黏弹性和触变行为等参数可为确定和控制其组成和稠度提供信息。因此,在混合过程中,可以通过确定达到均质所需的时间、速度和温度来避免不必要的搅拌。在选择合适的泵机或调整配方以获得更好的泵送性时,必须研究与剪切速率相关的黏度和屈服点。可以通过测量结构恢复性来监测涂覆过程中良好的表面流平性。储存中的浆料不应沉淀,并应保持其均匀性,其可以通过黏弹性测试和 zeta 电位测量获得。此外,浆料颗粒的表面积与其配方和特性直接相关,了解此参数有助于降低材料成本并确保质量稳定。

隔膜和集电器

锂离子电池中的隔膜是一种纤薄的多孔膜,其能够防止阳极和阴极之间的短路,同时允许它们之间的离子流动,在电池功能中起着关键作用。隔膜需要具备机械坚固性,在活跃电池条件下稳定,并且对其他电池材料呈惰性,但仍需要足够多孔以实现离子传输。  隔膜的通孔尺寸是确保最佳电池性能的关键参数。该孔必须足够小以防止在隔膜上形成枝晶并导致短路,但必须足够大以促进阴极和阳极之间的离子流动。此外,必须筛查以避免出现较大的可能导致短路的孔。  隔膜的另一个关键参数是它们的机械强度和结构性能。具体来说,测量隔膜需要多少预张力是避免组装过程中破裂或撕裂以及组装后下垂的关键参数。 

电解质

锂离子电池中的电解质通过实现阳极和阴极之间的电荷转移,在电池功能中发挥着重要作用。电解质还可以稳定阴极和阳极表面并延长电池寿命。全面表征电解质的物理特性,特别是密度和黏度,对于确保导电性、适当润湿和填充至关重要。  电解质溶液的黏度在电池的功率输出以及优化电池的填充工艺中起着至关重要的作用。电解质溶剂的质量以及盐的溶解和浓度也是影响电池性能的关键因素。电解质溶液的密度和折射率测量是一种快速准确的质量控制方法,可确保恰当的溶剂质量以及盐的溶解度和浓度。  锂离子电解质的另一个重要方面是其闪点,准确测量该参数是确保电池热安全性能的关键。


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