傳統(tǒng)鋰電池主要應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品市場,經(jīng)過多年發(fā)展,逐漸走向成熟,而伴隨著技術(shù)進步、成本降低,特別是對綠色新能源的強烈需求,應(yīng)用于電動工具、汽車、甚至是儲能需求的鋰電池市場正在快速成長。與此同時,電池能效性和安全性要求也越來越高,而這兩種特性的好壞,與正負極材料和隔膜材料的粒度均勻性和顆粒細度(粒度分布)有極大的相關(guān)性。
從大量的制漿經(jīng)驗以及行業(yè)交流反饋來看,諸如鋰鈷氧(LiCoO2)、鋰錳氧(LiMn2O4)、鋰鎳氧(LiNiO2)、鋰鎳鈷錳氧(LiNiCoMnO2)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)等多種不同的正極材料,通常采用中值粒徑D50作為關(guān)鍵質(zhì)控指標。
不同材料不同工藝的產(chǎn)品對原材料的粒徑要求也不盡相同,以分布在1-20um范圍內(nèi)居多。負極材料以石墨為例,當其平均粒徑為16-18um,且粒度分布較為集中時,電池有較好的初放容量及首次效率。
此外,隨著電池隔膜的厚度要求不斷提高,對其中添加阻燃材料的粒徑要求也隨之不斷提高,常使用的隔膜氧化鋁粒徑從微米級逐漸發(fā)展到亞微米甚至是納米級。隨著電池性能提高對原材料的粒度要求不斷提高,激光粒度儀發(fā)揮著不可替代的作用,同時對粒度測量儀器的重復(fù)性、重現(xiàn)性、分辨能力提出了更高的要求。
粒度測試分辨能力對電池材料測試的意義
激光粒度儀的高分辨能力在電池材料的檢驗中,對測試樣本中少量的大顆?;蛐☆w粒的準確識別有著重要的意義。比如說在電池材料活性物質(zhì)中如果存在少量的大顆粒,可能會對涂布、滾壓造成負面影響。如果在原材料檢測時就發(fā)現(xiàn),則可以避免后續(xù)不良品的產(chǎn)生。
另一個典型的例子是粒徑過小的石墨粉在粉碎過程中更易于使其晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,小顆粒石墨粉中菱形晶數(shù)量相對較多,而菱方結(jié)構(gòu)的石墨具有較小的儲鋰容量,使電池的充放電容量有所降低。
另外顆粒直徑太小,單位重量總表面積就會很大,需要包覆材料越多,導(dǎo)致電極材料的堆積密度減小而體積能量密度下降。如果能準確的對各種原材料進行粒度測試,在一定程度上有助于預(yù)判后續(xù)產(chǎn)品性能。以上只是舉的一些顯而易見的例子,實際上電池性能的諸多方面都與正負極材料和隔膜材料等的粒徑息息相關(guān)。
提高激光粒度儀分辨能力的方法
對少量的大/小顆粒及樣品各個粒徑組分的準確識別,需要儀器制造商在無盲區(qū)光學設(shè)計、高品質(zhì)高精度元器件、裝配工藝、算法及軟件智能控制上不斷優(yōu)化,提高產(chǎn)品分辨能力。
例如早先的激光粒度儀將多個光電轉(zhuǎn)換元件探測通道放置在一塊或兩塊平面上,然而傅立葉透鏡的聚焦面通常呈弧形分布,平面布置的探測器很難將所有角度的散射光信號都精確地聚焦獲取。以歐美克LS-609作為典型的例子來看,較新的激光粒度儀散射光能探測的設(shè)計,將常見的失焦影響較大的多個大角探測器通道以分個獨立的方式精確放置于與其散射角相對應(yīng)的傅立葉透鏡焦點位置,以保證所有散射光角度的信號都是無混雜的,提高了散射光分布角度分辨能力。
與此同時,各個獨立的探測器有利于在探測器上布置雜散光屏蔽裝置,同時也防止了散射光在不同探測器上的相互干擾,進一步降低系統(tǒng)的噪聲,提高細微差異的分辨能力。
激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測試粒度分布的。
由于激光具有很好的單色性和極強的方向性,所以在沒有阻礙的無限空間中激光將會照射到無窮遠的地方,并且在傳播過程中很少有發(fā)散的現(xiàn)象。
下面介紹下儀器的日常維護:
在日常存放和使用儀器時,以下幾點都是必須做到的:
1、儀器的全套設(shè)備不論是否處于工作狀態(tài),都應(yīng)放置在清潔干燥的環(huán)境中。
2、粒度儀的全套設(shè)備不用時應(yīng)蓋上致密的防塵布。
3、當測完一種樣品,必須取下進樣料斗,讓儀器自動執(zhí)行清洗料倉程序,確保下一種樣品的測量的可靠性。并且用毛刷清除進樣料斗上的殘余樣品。
4、粒度儀測量單元連續(xù)開機時間不宜超過5小時。
5、空氣壓縮機應(yīng)參照說明書定期更換機油。
6、吸塵器收到的測試廢料要定期清理?;虍攦x器指示負壓不足時,必須清理。
7、計算機關(guān)機必須按規(guī)定的步驟進行,切不可貿(mào)然關(guān)斷電源,否則可能造成難以彌補的損失。
激光粒度儀的光路由發(fā)射、接受和測量窗口等三部分組成。
發(fā)射部分由光源和光束處理器件組成,主要是為儀器提供單色的平行光作為照明光。接收器是儀器光學結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。
測量窗口主要是讓被測樣品在完全分散的懸浮狀態(tài)下通過測量區(qū),以便儀器獲得樣品的粒度信息。
激光粒度儀系列產(chǎn)品采用全程米氏理論和多種分布模型的數(shù)據(jù)處理方式,使該儀器具有準確可靠、測試速度快、重復(fù)性好、操作簡便等突出特點。
激光粒度儀的原理:
激光法:
激光粒度儀作為一種新型的粒度測試儀器,已經(jīng)在粉體加工、應(yīng)用與研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它的特點是測試速度快、測試范圍寬、重復(fù)性和真實性好、操作簡便等等。
激光法的粒度測試原理:
激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測試粒度分布的。由于激光具有很好的單色性和極強的方向性,所以一束平行的激光在沒有阻礙的無限空間中將會照射到無限遠的地方,并且在傳播過程中很少有發(fā)散的現(xiàn)象。
當光束遇到顆粒阻擋時,一部分光將發(fā)生散射現(xiàn)象,如圖8。散射光的傳播方向?qū)⑴c主光束的傳播方向形成一個夾角θ。散射理論和實驗結(jié)果都告訴我們,散射角θ的大小與顆粒的大小有關(guān),顆粒越大,產(chǎn)生的散射光的θ角就越小;顆粒越小,產(chǎn)生的散射光的θ角就越大。在圖8中,散射光I1是由較大顆粒引起的;散射光I2是由較小顆粒引起的。進一步研究表明,散射光的強度代表該粒徑顆粒的數(shù)量。這樣,在不同的角度上測量散射光的強度,就可以得到樣品的粒度分布了。
激光粒度儀的應(yīng)用領(lǐng)域:
建材、化工、冶金、能源、食品、電子、地質(zhì)、軍工、航空航天、機械、高校、實驗室,研究機構(gòu)等