進(jìn)入三月份，新一輪5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)招標(biāo)重新啟動(dòng)。相比較于4G基站，5G網(wǎng)絡(luò)使用頻次增加，基站覆蓋范圍變小，5G基站數(shù)量為4G的2-3倍，通信基站儲(chǔ)能設(shè)施的巨大需求再次攪動(dòng)蓬勃發(fā)展的鋰電池市場(chǎng)。
近日，中國(guó)移動(dòng)發(fā)布了6.102億Ah通信用磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品的采購(gòu)招標(biāo)大單，將應(yīng)用于除鐵塔以外5G基站磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品的消耗。同時(shí)，據(jù)GGII保守預(yù)計(jì)，2020年新建及改造的5G基站需求量將達(dá)到10GWh，整體5G通信基站將帶動(dòng)155GWh以上鋰電池需求。
鋰電行業(yè)增長(zhǎng)爆發(fā)之際，對(duì)于多類用于其質(zhì)量控制的物性檢測(cè)光電儀器設(shè)備同樣需求強(qiáng)烈。就鋰電池所用到的正負(fù)極和隔膜材料來說，其粒度的檢測(cè)是至關(guān)重要的，歐美克性能卓越性價(jià)比高的高端激光粒度分析儀器將助力鋰電行業(yè)抗擊質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品附加值！
一、激光粒度分析儀在電池行業(yè)應(yīng)用
隨著應(yīng)用于新能源汽車、電動(dòng)工具、甚至是儲(chǔ)能需求的鋰電池市場(chǎng)快速成長(zhǎng)，對(duì)于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(fù)極材料和隔膜材料的粒度均勻性（粒度分布）和顆粒細(xì)度有極大的相關(guān)性。在各種粒度檢測(cè)方法中，激光粒度分析儀因具有操作簡(jiǎn)便、可測(cè)顆粒數(shù)量高、等效概念明確、速度快、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，受到鋰電池市場(chǎng)的青睞。
從大量的制漿經(jīng)驗(yàn)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(biāo)。不同材料不同工藝的產(chǎn)品對(duì)原材料的粒徑要求也不盡相同，以分布在1-20μm范圍內(nèi)居多。負(fù)極材料以石墨為例，當(dāng)其平均粒徑為8-18μm時(shí)，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(duì)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(jí)逐漸發(fā)展到亞微米甚至是納米級(jí)。因此對(duì)粒度測(cè)量?jī)x器的重現(xiàn)性、分辨能力提出了更高的要求。
圖1 歐美克Topsizer Plus激光粒度分析儀
測(cè)量范圍：0.01-3600μm（濕法，取決于樣品），0.1-3600μm（干法，取決于樣品）
重復(fù)性誤差：≤0.5%
準(zhǔn)確性誤差：≤±0.6%
二、粒度測(cè)試分辨能力對(duì)電池材料測(cè)試的意義
在激光粒度分析儀的各類技術(shù)指標(biāo)中，“分辨能力”，即激光粒度分析儀對(duì)樣品中不同粒徑之間的區(qū)分能力，對(duì)于電池材料的檢測(cè)有著極為重要的意義。
例如，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(duì)較多，而菱方結(jié)構(gòu)的石墨具有較小的儲(chǔ)鋰容量，使電池的充放電容量有所降低。分辨能力高的激光粒度分析儀，就能較容易地檢測(cè)出石墨原材料中的菱方結(jié)構(gòu)。
另外，顆粒直徑太小，單位重量總表面積就會(huì)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；在電池材料活性物質(zhì)中如果存在少量的大顆粒，可能會(huì)對(duì)涂布、滾壓造成負(fù)面影響……如果能準(zhǔn)確地對(duì)電池正負(fù)極材料和隔膜材料等原材料進(jìn)行粒度測(cè)試，在一定程度上將有助于預(yù)判電池的產(chǎn)品性能。
圖2 歐美克Topsizer激光粒度分析儀
測(cè)量范圍：0.02-2000μm（濕法，取決于樣品），0.1-2000μm（干法，取決于樣品）
重復(fù)性誤差：≤0.5%
準(zhǔn)確性誤差：≤±1%
以歐美克TopSizer型號(hào)激光粒度分析儀為例，在標(biāo)準(zhǔn)樣品中加入2%，9%，16%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大顆粒/小顆粒，相應(yīng)測(cè)試的粒度分布圖能清晰看出不同測(cè)試對(duì)象結(jié)果的差異，具體百分含量的比例也可以從粒度分布表中讀出，TopSizer皆能獲取符合預(yù)期的準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，顯示了其高水準(zhǔn)的分辨能力。
圖3 向標(biāo)準(zhǔn)樣品中逐步添加一定比例大顆粒測(cè)試儀器分辨能力
圖4 向標(biāo)準(zhǔn)樣品中逐步添加一定比例小顆粒測(cè)試儀器分辨能力
三、電池材料樣品測(cè)試結(jié)果示例
馬爾文帕納科作為材料表征領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，一直致力于從原材料組成、生產(chǎn)中的粒度控制、甚至鋰電池充放電實(shí)時(shí)分析等領(lǐng)域?yàn)樾袠I(yè)提供支撐。歐美克Topsizer激光粒度分析儀是引進(jìn)了馬爾文帕納科國(guó)際先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合歐美克近30年的技術(shù)積累研發(fā)而成的一款高性能激光粒度分析儀，代表了中國(guó)粒度檢測(cè)與分析技術(shù)的新高度。
下面案例以具體的電池材料樣品來看Topsizer激光粒度分析儀的測(cè)試性能對(duì)材料表征的準(zhǔn)確測(cè)量。
1，歐美克TopSizer激光粒度分析儀測(cè)試含有少量大顆粒的石墨原材料的粒度分布圖和粒度分布表如圖5所示。
可以看到對(duì)于體積含量在0.5%以下的極少量60-100μm的顆粒，以及體積含量在1%左右的2μm以下顆粒，均能夠靈敏的檢測(cè)出來其詳盡的粒度分布。顯示了TopSizer對(duì)粉體材料的大、小顆粒具有高超的分辨能力，對(duì)于最終下游應(yīng)用中電池產(chǎn)品的安全性能和容量性能有更準(zhǔn)確的指導(dǎo)意義。
如果對(duì)少量小顆粒特別關(guān)注，在軟件上可以采用數(shù)量分布替代體積分布的計(jì)算方法，進(jìn)一步放大小顆粒的權(quán)重，對(duì)小顆粒數(shù)量上的變化進(jìn)行更易識(shí)別的測(cè)試和生產(chǎn)質(zhì)控。但需要注意的是，對(duì)于分布較寬的樣品，由于大小顆粒在尺寸上差異本身就很大，同樣體積的大小顆粒的數(shù)量相差將會(huì)異常巨大，取樣和分散測(cè)量上的少許波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果數(shù)量分布上較大的偏差。
圖5 TopSizer測(cè)試含有少量大顆粒的石墨原材料的粒度分布圖和粒度分布表
2. 歐美克TopSizer激光粒度分析儀對(duì)D50為0.1μm左右的超細(xì)隔膜材料氧化鋁的粒度測(cè)試粒度分布圖如下圖所示。
圖6 TopSizer對(duì)D50為0.1μm左右的超細(xì)隔膜材料氧化鋁的粒度測(cè)試粒度分布圖
3.圖7是歐美克LS-609激光粒度分析儀對(duì)磷酸亞鐵鋰3次取樣分散測(cè)試粒度分布的疊加圖及特征粒徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，顯示該儀器對(duì)磷酸亞鐵鋰的測(cè)試擁有優(yōu)良的重現(xiàn)性。
圖7 LS-609對(duì)磷酸亞鐵鋰3次取樣分散測(cè)試粒度分布的疊加圖及特征粒徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果
由此可見高分辨能力和重現(xiàn)性的激光粒度分析儀在電池原材料粒度檢測(cè)領(lǐng)域能帶來更好的質(zhì)控效益。
2020年是中國(guó)5G基站建設(shè)的爆發(fā)元年，據(jù)工信部預(yù)測(cè)，未來5年中國(guó)5G基站保有量將達(dá)到446萬—744萬個(gè)。隨著中國(guó)移動(dòng)開啟基站鋰電池招標(biāo)工作后，未來基站鋰電池需求將更一步釋放，對(duì)于高性能激光粒度分析儀的需求也將迎來市場(chǎng)紅利期。歐美克作為全球領(lǐng)先的科學(xué)儀器提供商馬爾文帕納科公司的一員，將持續(xù)秉承思百吉公司“絕對(duì)誠(chéng)信”的核心價(jià)值觀，為客戶提供優(yōu)秀的粒度檢測(cè)產(chǎn)品與服務(wù)！
參考資料：
1. 沈興志，珠海歐美克儀器有限公司，《高性能激光粒度分析儀在電池材料測(cè)試中的應(yīng)用》
2. 高工鋰電網(wǎng)，《中國(guó)移動(dòng)25億集采 拉開5G基站鋰電大戰(zhàn)序幕》
3. 高工鋰電網(wǎng)，《GGII: 2020年中國(guó)新建及改造5G基站的鋰電池需求將達(dá)到10GWh》
4. 覽潮網(wǎng)，《多地兩會(huì)明確建上萬5G基站，2020年將成中國(guó)5G爆發(fā)年！》
