锂离子电池正极材料的相关检测手段和方法

赵敏 0 2022-03-03

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要说现阶段能源市场谁最“闪亮”？锂电池绝对是最耀眼的一个。伴随着锂电池的崛起，与此相关的技术、服务也受到了前所未有的关注，今天小析姐就分享一篇锂电池正极材料的相关检测方法，从理论结合实际，带大家初步的了解相关材料的检测方法。并对正极材料的检测方法做一个初步的介绍。

作为锂离子的提供者——正极材料，其种类也是很多的，从磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、到镍钴锰三元材料，从低镍含量的三元材料到高镍含量的三元材料，从NCM到NCA、从常规的材料到高电压的材料、从一次颗粒团聚形成的二次颗粒到大单晶颗粒、从元素分布均一的材料到核壳结构、梯度包覆掺杂的材料……正极材料的每一次小小的进步，都能给锂离子电池的性能带来巨大的提升，当然，也会给材料加工带来一定的难度。

1、EDS

全称为Energy Dispersive Spectrometer，能谱分析其原理为入射电子使内层电极激发而产生特征X射线，当检测探头接受X射线信号时，将此射线信号转变成电脉冲信号，经放大器放大后通过多道脉冲分析器将脉冲信号编入不同的频道，最后在荧光屏上显示谱线，并进行定性和定量的分析。

通过对三元材料进行EDS分析，就可以得出三种元素的质量比，从而判断出材料的种类。此外，EDS技术也可以进行元素的面分布分析，用扫描观察装置，使电子束在试样上做二维扫描，测量其特征X射线的强度，使与这个强度对应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT上显示出来，就得到特征X射线强度的二维分布的像，现在在材料的掺杂、包覆均一性的研究上得到了广泛的应用。

从上图中可以看出，通过对不同元素面分布进行分析，可以看出元素的分布状况，这对于材料的制备来说具有很强的指导意义。

除此以外，还有XRF（X射线荧光光谱仪），EDX（指的是能量散射型X射线荧光光谱仪，也有人叫EDXRF），所分析的结果也是大同小异，在此不再赘述。

2、水分测试

材料中的含水量也是电池制造企业所关注的一个重要指标，关乎着烘干时间的长短以及相关参数的设置，现在普遍都用卡尔费休法进行测试。

其原理是仪器的电解池中的卡氏试剂达到平衡时注入含水的样品，水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应，在吡啶和甲醇存在的情况下，生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，消耗了的碘在阳极电解产生，从而使氧化还原反应不断进行，直至水分全部耗尽为止，依据法拉第电解定律，电解产生碘是同电解时耗用的电量成正比例关系的，其反应如下：

反应完毕后多余的游离碘呈现红棕色，即可确定为到达终点。

3、pH值测试

一般是取少量粉末在去离子水中搅拌一段时间，过滤后测试pH值即可；

4、残碱含量测试

如果三元材料的碱性过高，再加工过程中就会带来一定的难度，所以必须控制材料的残碱含量，一般都是采用滴定法进行检验，检验的物质一般是氢氧化锂和碳酸锂，将少量粉末与去离子水混合搅拌一段时间后过滤，然后进行滴定即可，方法简便易行。

5、原子吸收分光光度计（AAS）

根据物质基态原子蒸汽对特征辐射吸收的作用来进行金属元素分析，它能够灵敏可靠地测定微量或痕量元素。可以对使用前后的锂离子电池正极材料进行分析，确定各个元素的含量，分析元素含量以及金属溶出等等。也可通过ICP-AES方法进行检测，在负极的相关知识介绍中已经表述过，在此不再详细描述了。

6、热分析：

（1）热重分析（TGA）：

TGA是在程序控制温度下，测量样品的质量随温度或时间变化而变化的技术，利用此技术可以研究诸如挥发或降解等伴随有质量变化的过程。如果采用TGA-MS或TGA-FTIR的联用技术，还可以对挥发出的气体进行分析，从而得到更加全面和准确的信息。

（2）差示扫描量热法（differential scanning calorimetry,DSC），一种热分析法：

在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差温度的关系。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线，它以样品吸热或放热的速率，即热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测定多种热力学和动力学参数，例如比热容、反应热、转变热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等。