鋰電新型解決方案 | 單顆粒力學性能測試系統(tǒng)
元能科技 2024/03/12 | 閱讀：1259
產(chǎn)品配置單：
型號： SPFT1000
產(chǎn)地： 福建
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方案詳情：
1. 單顆?？箟簭姸群筒牧?極片/電芯性能的關(guān)聯(lián) 在微觀尺度上,，電極由納米級或微米級顆粒組成。因此,，電極材料固有的顆粒特性對電池的電化學性能起著決定性的作用,。為了獲得具有理想電化學性能的電極材料，人們對顆粒材料的晶體結(jié)構(gòu),、形貌,、力學性能和顆粒改性方法進行了廣泛而深入的研究。我們可以通過成分調(diào)整,、微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和表面改性等來改善顆粒材料的電化學性能,。 力學性能方面,，對電池材料單個顆粒測試抗壓強度，可用于評估材料的耐壓性,，指導輥壓工藝,。力學強度高的材料，后續(xù)的循環(huán)穩(wěn)定性也會較好,，如圖1所示,。圖1.鋰電材料顆粒的抗壓性和不同層級材料應用的關(guān)聯(lián) 一方面，顆粒的抗壓強度高,，表明顆粒能承受更高強度的外力,，更不易被壓碎；對應到極片壓制過程,，可使材料或極片具有更高的壓實密度,，可以在單位空間內(nèi)負載更多的正極或負極材料,，有助于提高電池容量密度,。 另一方面，顆粒整體的抗壓強度和最終所制成電芯的性能也存在一定的關(guān)聯(lián),?？箟簭姸雀叩牟牧希瑫嵘姵氐木C合電化學性能,。在電芯循環(huán)過程中,，隨著鋰離子的脫嵌，顆粒的內(nèi)部應力累積到一定程度,，會出現(xiàn)裂紋或破碎,，顆粒的力學強度逐步降低，從而縮短電芯的使用壽命1-3,。 例如Parkb1等人的研究表明,，Mg的摻雜可以提高NCM622粒子的硬度,，從而改善NCM622正極的循環(huán)性能,，因此,，作者認為顆粒硬度是直接影響NCM622正極長期循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；電池正負極材料的機械強度（抗壓性）影響正負極材料的電化學性能,。這種關(guān)聯(lián)為正負極材料的研究提供了新的思路,。 此外,，我們常常需要通過模擬仿真來優(yōu)化電極制造工藝參數(shù)，比如輥壓工藝,，或者預測電池充放電中的微觀結(jié)構(gòu)演變過程,。對電極進行精細化結(jié)構(gòu)仿真時,，模型需要顆粒材料的詳細性能參數(shù),，包括力學性能參數(shù)，如彈性模型和斷裂強度等,。單顆粒力學性能能夠快速準確獲得這些參數(shù),，從而有助于建立更精準的模型。 因此,，鋰電材料單顆粒力學性能測試不僅能夠提供關(guān)鍵的材料性能參數(shù),，還有助于深入理解材料性能與電池性能之間的關(guān)系，從而指導電池設計和制造過程,，提高電池的性能和壽命,。 現(xiàn)有的一些材料表面微觀力學性能的表征方法，如原子力顯微鏡的力曲線測試,、納米壓痕儀的硬度測試等,，測試的主要還是薄膜或者涂層基材的力學性能，對于微米層級的電池材料顆粒并不適用,，很難反映顆粒自身的抗壓性,。其它的一些表征方法，如表1所示,，也各自存在一定局限性,，無法直觀、定量描述顆粒的抗壓性能,。1. 產(chǎn)品基本信息 圖2. 元能科技單顆粒力學性能測試系統(tǒng)SPFT2000 基于鋰電材料單顆粒力學性能的重要意義，以及眾多鋰電行業(yè)研發(fā)人員的對單顆粒表征的急切需求,，元能科技推出單顆粒力學性能測試系統(tǒng)SPFT（ Single particle Force properties Tester）,，如圖2所示。
圖3.單顆粒力學性能測試系統(tǒng)SPFT功能模塊 SPFT由光學顯微鏡,、壓力測量系統(tǒng),、位移測量系統(tǒng)、力位移控制系統(tǒng)組成,，通過高精度的位移和壓力控制,，可采集壓頭加載到單個顆粒上后的應力應變曲線，從曲線的突變點分析顆粒壓潰力,。測試過程中,，可以借助光學顯微鏡觀察顆粒在壓前壓后的形態(tài),、測試顆粒的尺寸信息等。 SPFT是專為鋰電材料開發(fā)的單顆粒力學性能測試設備,，能夠根據(jù)鋰電顆粒的特性進行定制化的測試模式的設計,，專用性好、基礎功能齊全,、性價比高,。其中結(jié)構(gòu)設計上大膽創(chuàng)新，采用底部光學系統(tǒng)的方式,，這樣在顆粒測試過程中可觀察到壓頭和顆粒的相對位置,，人員操作更直接和簡便，減少壓偏,、顆粒被壓跑,、或者壓到多個顆粒的風險，也可以從底部觀測到顆粒壓潰前后的潰散狀態(tài),。SPFT具體的功能特點如圖4所示,。圖4. 單顆粒力學性能測試系統(tǒng)功能特點 （1）參照GB/T 43091-2023粉末抗壓強度測試方法執(zhí)行4。 （2）樣品測試步驟包含：制樣,，定位,，模式選擇，測試開始,，整個過程僅需幾分鐘,。 SPFT提供多種測試模式,，測試人員可以根據(jù)樣品類型或者不同測試需求選擇相應的測試模式,。以下案例采用控制位移測試應力的測試模式（如圖6），即以恒定的位移速率對顆粒下壓,，測試顆粒被壓縮過程中顆粒應力的變化,。 位移速率單位為μm/s，通常范圍為（0.1~0.5μm/s）,，位移穩(wěn)定性控制在±0.01μm以內(nèi)。當壓頭下壓至位移行程上限或所設置的壓力上限,，軟件自動停止測試并保存數(shù)據(jù),。 兩款三元材料A1和A2由同種前驅(qū)體燒結(jié)而成，但燒結(jié)工藝不同,，顆粒粒徑D50均為18μm,。我們采用SPFT2000測試兩款材料的不同顆粒,，結(jié)果如圖7所示。A1的平均壓潰力為31.2mN,，A2的平均壓潰力為35.8mN,。且A2被壓潰時位移的變化量（壓潰點對應的橫坐標）略大于A1，這說明A2被壓得更深時才壓碎,，平均多壓0.8μm,。上述結(jié)果表明，A2的抗壓性優(yōu)于A1,，改變燒結(jié)工藝可以一定程度提升材料硬度,。單顆粒力學性能表征方法可以為材料的燒結(jié)工藝提供指導。
兩款三元材料B1和B2由不同前驅(qū)體燒結(jié)而成,，顆粒粒徑D50均為9.5μm,。我們采用SPFT2000測試兩款材料的單顆粒力學性能，結(jié)果如圖8所示,。B1的平均壓潰力為4.4mN,，B2的平均壓潰力為9mN，B2的壓潰力大于B1,。從曲線看,，B1被壓潰后，應力下降到零點,，而B2壓潰后的力下降到2mN,，且B1顆粒被壓潰后，隨著壓頭的繼續(xù)下壓,，力-位移曲線上存在多段的平臺,。這說明B1顆粒可能存在較快過程的結(jié)構(gòu)破碎,，材料彈性比B2小,，而當一次破碎后，壓頭下壓過程,，可能存在部分破碎的顆粒被二次壓碎,。 這兩種材料按照相同的工藝組裝為半電池后，45℃循環(huán)30圈,，B1對應的電池的容量保持率為84%,，而B2的容量保持率為94%，B2的循環(huán)穩(wěn)定性更好,，這與B2在材料層級的單顆粒硬度更高也有一定的關(guān)聯(lián)性,。
四、關(guān)于單顆粒力學測試系統(tǒng)SPFT的更多信息說明 除了上述案例展示的鋰電三元正極材料,，鋰電其它正負極材料,，包括正極三元單晶,、富鋰材料、負極石墨,、硅基,、固態(tài)電解質(zhì)等等，均可試驗,。需要說明的是,，受顆粒形成過程中復雜的外部環(huán)境條件作用，部分材料顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大的差異性,。因此,，即便是形狀相似、粒徑相近的顆粒,，其抗壓強度也會表現(xiàn)出顯著的變異性,。 單顆粒粒徑大小：5~50um,，圓球狀或圓柱狀的顆粒測試效果更佳,。 材料企業(yè)、電芯企業(yè)的材料研發(fā)部門,、品控部門,、高校做材料開發(fā)的課題組等，可用于材料設計和優(yōu)化驗證,。 總之,，鋰電材料單顆粒的抗壓強度（抗壓潰強度）測試，可用于評估材料的抗壓性,，有助于指導研發(fā)人員材料優(yōu)化,、工藝設計和電芯研發(fā)。1. Janghyuk Moona, Jae Yup Jungb, Trung Dinh Hoanga, Dong Young Rheeb, Hyo Bin Leeb, Min-Sik Parkb,*, Ji-Sang Yuc,** The correlation between particle hardness and cycle performance of layered cathode materials for lithium-ion batteries,，Journal of Power Sources 486(2021)2293592. Sergiy Antonyuka, Jürgen Tomasa, Stefan Heinrichb, Lothar M?rlb, Breakage behaviour of spherical granulates by compression,Chemical Engineering Science 60 (2005) 4031 – 4044.3. 張雨生,，由曉明，何箐. 8YSZ 團聚粉體壓潰強度及其對PS-PVD 沉積行為的影響研究 [J]. 熱 噴 涂 技 術(shù), 2022, 14(3): 46-57.4. GB/T 43091-2023 《粉末抗壓強度測試方法》
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