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粉末電阻率&壓實密度在質(zhì)量監(jiān)控中的應(yīng)用探究

粉末電阻率&壓實密度在質(zhì)量監(jiān)控中的應(yīng)用探究
元能科技  2024-06-25  |  閱讀:930

前 言

鋰離子電池的電化學(xué)性能與正負極粉體材料的性能緊密相關(guān),其中,正極材料金屬異物雜質(zhì)含量、水分超標(biāo)、批次一致性差等問題存在都可能引起鋰離子電池失效甚至安全性問題,對于電池企業(yè),來料檢驗是電池制作工藝流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),來料檢驗中正極粉體材料批次間差異越小,一致性越好,成品電池才能越穩(wěn)定。在正極材料的批次穩(wěn)定性控制中,粒徑、振實密度、壓實密度、比表面積、水分、pH值、電阻率等作為標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控指標(biāo)進行嚴(yán)格監(jiān)控,本文采用元能科技的粉末電阻率&壓實密度儀進行粉末電阻率及壓實密度長期穩(wěn)定性測試,為粉體材料的性能一致性提供監(jiān)控方法。

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圖1. 鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程圖


1. 指標(biāo)及監(jiān)控方法

1.1 同一款NCM材料不同批次分別進行單獨封裝,每天拆一包進行3組重復(fù)性測試,共計測試30天;1.2 采用PRCD3100(IEST-元能科技)分別對材料進行電阻率及壓實密度測試,測試設(shè)備如圖2所示。

測試參數(shù):壓強范圍12-20MPa,間隔2MPa,保壓10s;80-180MPa,間隔50MPa,保壓10s。

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圖2. (a)PRCD3100外觀圖;(b)PRCD3100結(jié)構(gòu)圖

2. 測試結(jié)果

2.1 測試前注意事項

電阻率及壓實密度穩(wěn)定性測試影響因素較多,包含人、機、料、法、環(huán)等各個環(huán)節(jié),人員操作方法的熟練程度、對關(guān)鍵細節(jié)的把控、測試設(shè)備穩(wěn)定性、待測樣品狀態(tài)、測試原理選擇的合理性、測試環(huán)境的穩(wěn)定性等均是電阻率及壓實密度穩(wěn)定性測試的關(guān)鍵因子。為保證整體測試數(shù)據(jù)的可靠性,實驗測試前需對設(shè)備的關(guān)鍵模塊進行系統(tǒng)化測試及校準(zhǔn),其中主要包含壓力模塊校準(zhǔn)、厚度模塊及電阻模塊校準(zhǔn),確保設(shè)備整體測試的準(zhǔn)確性。實際測試在25℃±2℃控溫環(huán)境條件下進行;樣品選擇上保證樣品狀態(tài)一致,無異常團聚或結(jié)塊現(xiàn)象發(fā)生,不同批次均單獨封裝,共計30包,盡量減小樣品隨時間變化受環(huán)境的影響,如發(fā)生吸潮現(xiàn)象,實際測試過程每天拆一包,重復(fù)進行3組重復(fù)性測試,由于PRCD3100為電阻率及壓實密度雙功能設(shè)備,兩個參數(shù)均為同組參數(shù)輸出,測試完成后對30天數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化匯總及分析,包括不同壓強點下的測試結(jié)果匯總均值、變異系數(shù)、極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差(西格瑪)及均值正負三西格瑪?shù)目刂葡薜葏?shù)。


2.2 電阻率測試結(jié)果

電阻率是表征材料電阻特性的物理量,鋰離子電池粉體電阻率的測定可用于材料改性評估、工藝條件評估及質(zhì)量監(jiān)控等方面,隨著鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展,材料的品種更加多樣化,生產(chǎn)工藝也更加復(fù)雜,材料失效的風(fēng)險也就更大,因而對其質(zhì)量管理的要求也就更高,本實驗以粉體材料電阻率長期穩(wěn)定性監(jiān)控為基礎(chǔ),探究粉體電阻率檢測在質(zhì)量監(jiān)控方面的應(yīng)用。

3.jpg表1. 30天電阻率測試數(shù)據(jù)分析匯總表格

如表1為NCM樣品30天電阻率測試數(shù)據(jù)分析匯總表格,從測試數(shù)據(jù)可以看出該粉體樣品的電阻率均隨壓強的增大而降低,且其變異系數(shù)COV的分析結(jié)果上看,低壓強12MPa下30天測試數(shù)據(jù)的COV為4.13%,高壓強180MPa下為2.28%,整體測試重復(fù)性均在較好的水平,但嚴(yán)格來對比,低壓強下重復(fù)性COV偏大,這主要是因為在實際電阻率測定過程中,低壓強條件下粉體充填不緊密,粉末顆粒之間的空隙率較大,重復(fù)性測試一致性相對較差,隨著壓強的增大,粉末顆粒滑動重排形成緊密的堆積狀態(tài),顆粒間的空隙率減小,重復(fù)性測試一致性變好,同時大的壓強可以減少測試過程中的一部分接觸電阻,從而提升整體測試的重復(fù)性及一致性,這也是實際測試中建議選用大壓強條件進行測試的原因之一。

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圖3. 30天電阻率測試數(shù)據(jù)12MPa及180Mpa壓強下整體波動匯總圖

西格瑪是標(biāo)準(zhǔn)偏差的一個測量單位,用希臘字母(σ)表示,在鋰離子電池來料質(zhì)量監(jiān)控中,西格瑪是一個關(guān)鍵性指標(biāo),通常標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為長期數(shù)據(jù)監(jiān)控均值的2~3σ。圖3為30天電阻率測試數(shù)據(jù)12MPa及180Mpa壓強下整體波動匯總圖,結(jié)合表1分析數(shù)據(jù)可以明顯看出,該材料30天的數(shù)據(jù)均滿足Mean±3σ的范圍。在實際質(zhì)量監(jiān)控中,電阻率可以做為一個關(guān)鍵性指標(biāo),前期結(jié)合不同批次樣品電阻率測試的真實情況,系統(tǒng)化分析其變異系數(shù)、均值及西格瑪?shù)鹊牟▌幼兓?,確定2~3σ為標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量監(jiān)控規(guī)格,后期可結(jié)合該規(guī)格和實際應(yīng)用場景進行標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控,如批次穩(wěn)定性工藝評估、來料一致性監(jiān)控等。


2.3 壓實密度測試結(jié)果

隨著鋰離子電池的發(fā)展,為追求更高性能鋰離子電池的開發(fā),越來越多企業(yè)開啟了對高容量、高電壓及高壓密材料的研發(fā)及生產(chǎn),以適應(yīng)更多消費者的需求。行業(yè)內(nèi)壓實密度評估多停留在極片端,實驗證明壓實密度與片比容量、效率、內(nèi)阻以及電池循環(huán)性能等密切相關(guān),一定程度下壓實密度越大,電池的比容量越高,所以壓實密度的有效評估對電池的優(yōu)化改進非常重要,而相比極片端的壓實密度評估,從粉體材料端快速評估其也是密度亦可作為材料評估篩選的有效手段,同時在質(zhì)量監(jiān)控方面也有十分重要的意義。 

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表2. 30天壓實密度測試數(shù)據(jù)分析匯總表格


如表2為NCM樣品30天壓實密度數(shù)據(jù)總體匯總表格,從數(shù)據(jù)上看,壓實密度隨著壓強的增大而增大,整體數(shù)據(jù)的重復(fù)性COV均小于0.5%,且重復(fù)性測試極差均小于0.06g/cm3,綜合來看數(shù)據(jù)整體測試穩(wěn)定性及重復(fù)性較好。進一步系統(tǒng)化分析壓實密度的±3σ的范圍,并結(jié)合30天數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)化壓實密度波動匯總,如圖4所示為30天壓實密度12MPa及180MPa下的測試數(shù)據(jù)波動圖,均滿足±3σ的規(guī)格范圍,但相比于12MPa下的數(shù)據(jù)波動,180MPa下的數(shù)據(jù)波動更小,這與不同壓力下粉體空隙狀態(tài)與顆粒隨壓強流動重排有一定關(guān)系,除此之外,壓實密度整體的波動也與測試關(guān)鍵點的控制,如樣品狀態(tài)、設(shè)備穩(wěn)定性、測試模具穩(wěn)定性等因素密切相關(guān),實際測試過程中也需要對這些關(guān)鍵因子進行合理的控制,盡可能把影響因素降到最低。在實際質(zhì)量監(jiān)控中,與電阻率應(yīng)用相同,研發(fā)前期可針對不同的樣品測試需求及測試場景,收集大量壓實密度相關(guān)參數(shù),并對關(guān)鍵因子進行控制,進而系統(tǒng)化分析材料壓實密度的西格瑪規(guī)格范圍或嚴(yán)格的極差監(jiān)控范圍,后續(xù)可以針對新批次的樣品或來料進行壓實密度測定,從而達到質(zhì)量監(jiān)控的目的。

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圖4. 30天壓實密度測試數(shù)據(jù)12MPa及180Mpa壓強下整體波動匯總圖


3. 總結(jié)

本文采用PRCD3100測試同一種材料30天的電阻率和壓實密度,通過對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化分析,展示了在質(zhì)量監(jiān)控方向的應(yīng)用場景,為樣品批次穩(wěn)定性監(jiān)控提供一種方法,為鋰電材料穩(wěn)定生產(chǎn)及新工藝優(yōu)化助力。


4. 參考文獻

[1] 梁華妹, 曾勇, 黃詩健,等. 鋰電池正極材料壓實密度測試的條件研究[J]. 廣東化工, 2021, 48(19):3.

[2] 朱潔, 赫晶遠, 王晶. 影響粉末電阻率測定結(jié)果的因素[J]. 炭素技術(shù), 2002(3):3.

[3] 李霞. 蘭炭粉末電阻率測定結(jié)果影響因素分析[J]. 中國鹽業(yè), 2020(9):4.

[4] 賈紅英. 鋰離子電池正極材料的質(zhì)量管理[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2017, 14(17):2.


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