電池材料顆粒大小和形狀如何影響電池性能
發(fā)布日期:2023-12-02
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近日，大昌華嘉中國(guó)科技事業(yè)部科學(xué)儀器部總經(jīng)理林波（Cathleen Lin） 分享了行業(yè)觀點(diǎn)，探討了電池材料顆粒大小和形狀如何影響電池性能，并將如何推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
現(xiàn)如今，電動(dòng)汽車（EV）產(chǎn)業(yè)不僅僅是交通運(yùn)輸，更是改變我們未來(lái)的力量。引入低碳和可持續(xù)發(fā)展的理念：推進(jìn)能源革命和構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系。
隨著全球?qū)﹄妱?dòng)汽車的需求持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)能夠提供更長(zhǎng)續(xù)航里程、更快充電速度和更高可持續(xù)性的先進(jìn)電池技術(shù)的需求也在不斷增加。而在這一切創(chuàng)新的背后，電池材料的微觀結(jié)構(gòu)，動(dòng)力學(xué)決定其優(yōu)質(zhì)的性能，對(duì)電池的綜合性能有復(fù)雜的影響，也直接影響到電動(dòng)汽車的安全性和使用性能。
準(zhǔn)確和全面理解鋰電池材料的構(gòu)效關(guān)系需要綜合運(yùn)用多種檢測(cè)技術(shù)。電池材料顆粒大小和形狀的分析起著至關(guān)重要的作用，這將直接塑造EV和更廣泛的能源格局的未來(lái)。
電池材料顆粒大小和形狀：一場(chǎng)顛覆性的變革
電池的性能在很大程度上依賴于其核心材料的特性，尤其是正極、負(fù)極、電解液和隔膜材料。在眾多影響電池性能的因素中，電池材料的顆粒大小和形狀正變得越來(lái)越重要。
提升能量密度
電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵方面是最大化能量密度。電池材料內(nèi)部的較小顆粒提供了更大的電化學(xué)反應(yīng)表面積。這轉(zhuǎn)化為增加的能量存儲(chǔ)能力，使得電動(dòng)汽車能夠在單次充電中行駛更長(zhǎng)的距離。通過(guò)精確控制顆粒大小，研究人員正在推動(dòng)能量密度的極限，這是電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
優(yōu)化電極性能
顆粒形狀在決定電極材料的填充密度和孔隙度方面起著關(guān)鍵作用。良好定義的顆粒形狀會(huì)促進(jìn)高效的填充，減少內(nèi)部電阻并提高電子在電池內(nèi)部的流動(dòng)性。這導(dǎo)致了更快的充電-放電速率和卓越的整體性能，使得電動(dòng)汽車在加速和續(xù)航方面更具競(jìng)爭(zhēng)。
另外負(fù)極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵材料之一，鋰電池負(fù)極材料在鋰電池中起儲(chǔ)存和釋放能量的作用，主要影響鋰電池的首次效率、循環(huán)性能等。
鋰電池負(fù)極材料由碳系或非碳系材料等負(fù)極活性物質(zhì)，碳系材料可以分為石墨、硬碳、軟碳和石墨烯等負(fù)極材料,需要對(duì)負(fù)極材料測(cè)試元素含量特別是碳元素含量來(lái)進(jìn)行質(zhì)量控制。
改善電解液和隔膜
顆粒特性也影響到電解液和隔膜。微調(diào)電解液中顆粒的大小和形狀可以提升離子傳導(dǎo)性，直接影響電池的充電-放電效率。此外，設(shè)計(jì)具有受控孔徑的隔膜可以提高安全性并延長(zhǎng)電池壽命。
優(yōu)化電池漿料穩(wěn)定性
鋰電池漿料主要由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑及溶劑等組成，其分散相由不同粒徑、形貌、密度的顆粒組成。
對(duì)應(yīng)的分散介質(zhì)分為油性溶劑NMP（常作為正極漿料溶劑）和水性溶劑去離子水（常作為負(fù)極漿料溶劑）。在鋰電池極片制備過(guò)程中，制漿工藝作為最前端工序，其獲得的漿料質(zhì)量及工藝穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝將產(chǎn)生重大影響。
電池漿料的許多成分 - 電極材料、石墨、聚合物粘合劑和溶劑 -它們相互連接的結(jié)構(gòu)對(duì)于電極涂層的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，其中一個(gè)重要因素是 zeta 電位。 漿料中顆粒的 zeta 電位決定了這些顆粒是否易于聚集。
電池安全性能以及缺陷檢測(cè)
在不破壞樣品的情況下，通過(guò)斷層掃描方式，看清楚樣品和本體材料內(nèi)部的 三維立體微觀結(jié)構(gòu)特征。 針對(duì)各類型電池，可無(wú)損觀測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括電極纏繞情況，多次充放電后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，穿刺試驗(yàn)后 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，夾雜物分布等各類缺陷分析。
充分了解對(duì)電池安全性能的影響，通過(guò)缺陷檢測(cè)提升電池安全性能。
先進(jìn)分析儀器的作用
在尋求卓越的電動(dòng)汽車電池時(shí)，先進(jìn)的分析儀器扮演著關(guān)鍵的角色。靜態(tài)光衍射（激光粒度儀），動(dòng)態(tài)光散射（納米粒度儀），多重光散射（穩(wěn)定性分析儀），ZETA電位儀，容量法氣體吸附（比表面及孔徑分析儀），光學(xué)座滴法（接觸角測(cè)量?jī)x），X射線熒光（XRF），高溫燃燒法有機(jī)元素分析儀（OEA）等材料表征技術(shù)為顆粒大小、形狀和分布提供了寶貴的見(jiàn)解。
通過(guò)利用這些尖端技術(shù)，研究人員可以更深入地了解電池材料，從而做出基于數(shù)據(jù)的決策，加速EV電池材料的創(chuàng)新。
結(jié)論：
隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，分析電池材料顆粒大小和形狀正逐漸成為創(chuàng)新的關(guān)鍵推動(dòng)因素。通過(guò)利用先進(jìn)的分析儀器，深入了解顆粒特性，研究人員正在改變EV電池的發(fā)展格局。在大昌華嘉科學(xué)儀器，我們自豪地成為這一變革旅程的一部分，助力明天的電動(dòng)汽車，并為我們的星球推動(dòng)可持續(xù)進(jìn)步。我們共同為子孫后代打造一個(gè)更加明亮、綠色的未來(lái)。
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