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当一颗锂电池正极材料踏进Shimadzu实验室……

时间:2023-02-09      阅读:414


导读

根据全国乘用车市场信息联席会公布的数据:2022年新能源汽车累计销量为567.4万辆,同比增长90%,渗透率达27.6%. 然而,不容忽视的是,随着新能源车的热销,更多的安全事故也随之而来。根据应急管理部门公布的数据,一季度新能源汽车火灾数量比去年同期上升32%。电动车安全事故为何屡见报端?正确的使用和充电方式固然十分重要,而电池本身的安全性能也非常关键。每一块电池的出厂都会经过严格的检测,对电池的关键组成材料正极、负极、隔膜和电解液等更是格外关注。

 

那么,当一颗正极材料踏进了Shimadzu实验室,等待它的会是什么?别担心,不会损伤一星半点,我们会将里里外外、来龙去脉查得清清楚楚。今天,我们将跟着锂电池正极材料探究竟!

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正极路线荧光鉴 – EDX

首先进的是一只“电饭煲”,进去“煮”了不到一分钟,正极材料正在纳闷怎么既不热也不烫,结果已经出炉——

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1. 能量色散型X射线荧光光谱仪 EDX-7200

 

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2. 镍钴锰三元正极材料的EDX测试结果

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图3. 磷酸铁锂正极材料的EDX测试结果

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4. 磷酸铁锰正极材料的EDX测试结果

 

这只“电饭煲”全名能量色散型X射线荧光光谱仪,简称EDX,能快速给出样品的元素组成,而且无损。因此,在进去煮了一分钟,正极材料毫发无伤地出来了。EDX不仅能快速区分正极材料是钴酸锂、镍钴锰三元、磷酸铁锂、还是磷酸铁锰锂,还可以进行精确地定量分析。

 

不过,它只能鉴别元素种类,不能分辨元素价态结构,虽然检测到含有Ni、Co、Mn元素,但不明确存在形式。

 

别担心,在大云集的Shimadzu实验室,“这都不是事儿!”

 

1. 能量色散型X射线荧光定量分析正极材料准确度(单位:%)

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层状结构衍射瞧 - XRD

房间里的冰箱低可信度描述已自动生成 

5. X射线衍射仪 XRD-7000

 

EDX中出来,正极材料又被请进了一扇更大的门里,一顿操作后,显示屏上给出了答案——原来这是高镍三元正极材料。

 

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6. LiNiO2和LiNiyMnyCo1-2yO2等的层状结构图

(图片引自M. Stanley Whittingham. Chemical Reviews, 104(2004) 4271-4301)

 

这一结论,由X射线衍射仪(简称XRD)给出,它通过X射线在材料层间的衍射,来了解样品的物相结构。图7中的测试结果显示样品与镍酸锂的晶体结构类似,具有α-NaFeO2型层状结构(R-3m空间群),再结合EDX所给出的元素比例,可以确定这款正极材料为811系的高镍三元正极材料(811指的是镍、钴、锰三种元素的比例)。其实2022年是超高镍元年,市场上很多材料中镍的占比更高于它。

 

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7. 三元正极材料的XRD-7000测试结果

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8. 磷酸铁锂正极材料的XRD-7000测试结果

 

打回原形微区探 - EPMA

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9. 电子探针显微分析仪 EPMA-8050G

 

看到毫发无损也能得到这样的结果,正极材料很满意,正要四处转转,又被拉到一个大家伙面前。裹上一层导电胶离子研磨后,再被送入一个大腔体。在这里密密麻麻的探头对着它,束流打上来也不似前两次那样完全无感,不过仍然在接受范围内。这是电子探针显微分析仪(简称EPMA)。

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10. EPMA测试的正极材料形貌图

 

大束流的威力不可挡,正极材料在这里被打回了原形——分别在6000倍和20000倍下得到的图像显示,它是直径10~20um的球形颗粒,由纳米级的一次颗粒团簇而成。

 

对单颗粒的面分布分析显示,颗粒中心镍含量高,边缘镍含量低,是一种呈浓度梯度的三元材料。掺杂的Al元素在大束流的照射下也清晰地显现,均匀的掺杂效果预示着这是一颗高质量正极材料。

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11. EPMA测试的正极材料面分布与线分布结果

 

高真空下终过招 – XPS

桌子上摆放着黑色的机器低可信度描述已自动生成 

12. X射线光电子能谱仪 AXIS Supra+

 

鉴别结果让这颗正极材料正自洋洋得意,最后一项上机也安排上了。这次经过了多级真空,来到了10-8帕。超高真空下,AlAg双阳极被电子束激发出单色X射线打在正极颗粒上,俄歇、荧光现象精彩纷呈,高分辨能量检测器眼疾手快地捕获光电子,鉴别出Ni、Co、Mn、Li、C和O元素。再通过精细谱分析,得到了主要元素的化学状态,如图13。

 

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13. XPS测试正极材料谱图

 

Shimadzu实验室大云集

一顿眼花缭乱的操作,将该正极材料剖析得明明白白。在装备齐全的Shimadzu实验室,从无机到有机、从元素到价态、从形貌到物相,各种检测仪器。自然,对正极材料的评价仪器还远不止刚刚体验过的这些,例如SALD-2300细数颗粒的粒度和粒形、ICPE-9820和ICP-MS精确定量对元素杂质进行分析,还有微小力压缩试验机MCT,明察秋毫小颗粒的抗压能力……可谓一颗正极材料只要踏进实验室,多方位检测能够将它鉴定得清清楚楚。毕竟,正极材料的性能过硬是电池性能和安全性的重要保障,来不得丝毫大意。

 

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14. Shimadzu实验室本次出场代表展示

 

结语

迄今为止,诸多正极材料都已到访Shimadzu实验室,多位实验室代表(仪器)也已入驻各大电池材料和电池企业,借精准检测助力锂电产业的蓬勃发展,更以客观稳定的数据守护行业的前行方向!

 

本文内容非商业广告,仅供专业人士参考。


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