干貨 | 鋰電池正極材料理化性能和電化學(xué)性能的分析方法綜述

鋰離子電池一般由正極材料、隔膜、負(fù)極材料、電解液、電池外殼五部分組成。其中正極材料是鋰離子電池中最為關(guān)鍵的部分。鋰離子電池正極材料物理、化學(xué)性能的提升，能很大程度上提高鋰離子電池 的性能，推動(dòng)鋰離子電池的發(fā)展。

現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰等。鋰離子電池正極材料的粒度、形貌、比表面積、振實(shí)密度、結(jié)構(gòu)、成分等理化性能和電化學(xué)性能對(duì)鋰離子電池正極材料的應(yīng)用有著重要的影響。準(zhǔn)確分析測(cè)定這些性能參數(shù)對(duì)鋰離子電池正極材料研發(fā)者和使用者都有著重要的意義。本文對(duì)這些理化性能和電化學(xué)性能的分析方法做一綜述，為廣大的鋰離子電池正極材料工作者提供參考。

一、鋰離子電池正極材料理化性能分析方法

鋰離子電池正極材料需要分析的理化性能主要包括粒度、形貌、比表面積、振實(shí)密度、結(jié)構(gòu)和成分。

１鋰離子電池正極材料粒度分析

鋰離子電池正極材料的粒度及粒度分布對(duì)電池的安全性能和極片的壓實(shí)密度有較大影響，同時(shí)也對(duì)電池材料的電性能有影響。粒度分析方法主要有沉降法、篩分法、庫(kù)爾特法、電鏡統(tǒng)計(jì)觀察法、電超聲粒度分析法、激光衍射法、動(dòng)態(tài)光散射法。鋰離子電池正極材料的粒度分析應(yīng)用最多的是激光散射法，測(cè)試步驟主要參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T19077-2016。

激光散射法的原理是：顆粒樣品以合適的濃度分散于適宜的液體或氣體中，使其通過單色光束，當(dāng)光遇到顆粒后以不同角度散射，由多元探測(cè)器測(cè)量散射光。通過適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)模型和數(shù)學(xué)過程，轉(zhuǎn)換這些量化的散射數(shù)據(jù)，得到一系列離散的粒徑段上的顆粒體積相對(duì)于顆?？傮w積的百分比，從而得出顆粒粒度體積分布。原理示意圖如圖1。

圖１激光散色法原理示意圖

激光散射法操作簡(jiǎn)單、測(cè)試快捷、適應(yīng)廣泛，重復(fù)性好。用激光散射法測(cè)量鋰離子電池正極材料的粒度及粒度分布時(shí)，要確定好正極材料的折射率和吸收率，否則測(cè)量會(huì)出現(xiàn)誤差。朱果等采用激光散射法原理的激光粒度儀對(duì)鈷酸鋰正極材料的粒度進(jìn)行了測(cè)試，分析表明測(cè)試數(shù)據(jù)誤差較小，重現(xiàn)性好。

２ 鋰離子電池正極材料形貌分析

材料的形貌分析最常用的手段是掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)。有時(shí)根據(jù)材料形貌的特殊要求，也用到掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)。

鋰離子電池正極材料的形貌分析主要用到的是掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。SEM一般只能提供鋰離子電池正極材料微米或亞微米的形貌信息。TEM分辨率更高，可以達(dá) 到0.1nm～0.2nm，除了對(duì)樣品進(jìn)行形貌分析，還可以分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。粟智等采用TEM對(duì)錳酸鋰的形貌進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖2。從圖中可以清晰的看到樣品的形貌，同時(shí)也可以看出樣品結(jié)晶度良好。

圖２樣品TEM圖

３ 鋰離子電池正極材料比表面積分析

鋰離子電池正極材料的比表面積與材料的加工性能有關(guān)。因此比表面積分析也是鋰離子電池正極材料理化性能分析中重要的一項(xiàng)。鋰離子電池正極材料比表面積分析方法主要采BET法。BET法的原理是：將試樣放入盛樣器，然后置于液氮中，此條件下，試樣表面將發(fā)生物理吸附。用壓力計(jì)測(cè)量吸附達(dá)到平衡時(shí)的平衡吸附壓力，容量法或色譜法測(cè)量樣品吸附的氣體量。最后將平衡吸附壓力和吸附的氣體體積帶入BET方程式，計(jì)算求出試樣的比表面積。BET測(cè)試方法和步驟參考GB/T13390-2008。

４ 鋰離子電池正極材料振實(shí)密度分析

鋰離子電池正極材料的振實(shí)密度關(guān)系到電池制作過程中的壓實(shí)密度，是材料能量密度的考核指標(biāo)之一。鋰離子電池正極材料的振實(shí)密度分析主要采用振動(dòng)法，原理是：稱取一定量的樣品置于玻璃量筒中，通過振動(dòng)裝置使量筒里的粉末逐漸被振實(shí)，直至粉末的體積讀數(shù)不再變化，記錄此時(shí)的體積數(shù)。將先前稱取粉末的質(zhì)量數(shù)除以記錄的體積數(shù)，就得到樣品的振 實(shí)密度。振實(shí)密度測(cè)試方法和步驟參考GB/T5162-2006。

５ 鋰離子電池正極材料結(jié)構(gòu)分析

鋰離子電池正極材料的結(jié)構(gòu)決定了鋰離子脫嵌路徑方式的不同，對(duì)鋰離子電池的電化學(xué)性能等產(chǎn)生明顯影響。鋰離子電池正極材料結(jié)構(gòu)分析方法有X射線衍射(XRD)法、紅外光譜法、拉曼光譜法等。Ｘ射線衍射法是最常用的結(jié)構(gòu)分析方法。利用XRD可以對(duì)材料進(jìn)行物相定性分析、物相定量分析以及測(cè)定材料的結(jié)晶度。張利峰等對(duì)不同手段制備的磷酸鐵鋰用XRD對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分析圖譜如圖3。從圖中可以看出，不同手段制備的磷酸鐵鋰樣品，XRD圖有一定的差異，說明XRD分析能很好的反應(yīng)樣品的結(jié)構(gòu)變化。

圖３磷酸鐵鋰的XRD圖譜

紅外光譜屬于分子振動(dòng)光譜，是由于分子振動(dòng)能級(jí)躍遷和分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷而形成的帶光譜。紅外光譜法是利用紅外光譜對(duì)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析的方法。在鋰離子電池正極材料結(jié)構(gòu)分析，廣泛使用XRD和紅外光譜相結(jié)合的方法。通過考察正極材料紅外吸收峰的變化，分析正極材料晶體結(jié)構(gòu)的變化。

拉曼光譜與紅外光譜一樣，均源于分子的振動(dòng)和 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷。通過拉曼光譜法可以直接獲得物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)信息。拉曼光譜法分辨率高、重現(xiàn)性好。在鋰離子電池正極材料的研究中，利用拉曼光譜可以研究鋰離子電池正極材料充放電過程的結(jié)構(gòu)變化。采用非原位拉曼光譜時(shí)，將鋰離子電池正極材料停留 在某個(gè)充電或放電狀態(tài)時(shí)取出，測(cè)量其拉曼譜，得到正極材料此時(shí)的結(jié)構(gòu)，然后跟充電或放電前的狀態(tài)對(duì)比，可獲得電池正極材料充放電前后的結(jié)構(gòu)變化。而采用原位拉曼光譜，更是可以實(shí)時(shí)獲得鋰離子電池正極材料充放電過程的結(jié)構(gòu)變化信息。

６ 鋰離子電池正極材料成分分析

鋰離子電池正極材料成分分析主要分為主體元素成分分析和摻雜元素成分分析。摻雜元素成分分析因?yàn)閾诫s元素含量較低，分析方法相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)摻雜元素的含量和種類可以采用吸光光度法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、原子吸收光譜法(AAS)等。

主體元素成分分析因?yàn)樵睾扛?，如果采用常?guī)的低含量雜質(zhì)元素的分析方法，容易產(chǎn)生較大的誤差。所以主體元素分析通常采用滴定法。如陳平等研究了在大量干擾元素錳、鈷存在的情況下，丁二酮肟沉淀-EDTA滴定法測(cè)定正極材料中鎳的含量的方法。研究結(jié)果表明，該方法標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.054，變異系數(shù)小于0.20％，回收率在99.63％～100.5％之間。

GB/T30835-2014中規(guī)定磷酸鐵鋰中鐵含量的分析采用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法。磷含量的分析采用磷鉬酸銨容量法。如果主體元素中個(gè)別元素含量相對(duì)較低，也可采用ICP-OES、AAS等。如劉英等研究建立了鋰離子電池電極材料LiCoO2中Li的分析方法，確定采用AAS和ICP-AES，該測(cè)定方法準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便和快速。

二、鋰離子電池正極材料電化學(xué)性能分析方法

鋰離子電池正極材料的電化學(xué)性能主要包括首次放電比容量、首次充放電效率、放電平臺(tái)容量比率、倍率性能、循環(huán)壽命等。

對(duì)于鈷酸鋰正極材料，GB/T23665-2009中規(guī)定了鈷酸鋰首次放電比容量及首次充放電效率的測(cè)試方法。采用半電池測(cè)試這兩個(gè)參數(shù)，電池制作方法和測(cè)試過程標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)介紹。GB/T23366-2009中規(guī)定了鈷酸鋰放電平臺(tái)容量比率及循環(huán)壽命的測(cè)試方法。測(cè)試步驟標(biāo)準(zhǔn)中也有詳細(xì)介紹。

對(duì)于鎳鈷錳酸鋰正極材料，YS/T798-2012規(guī)定了鎳鈷錳酸鋰首次放電比容量、首次充放電效率、平臺(tái)容量比率及循環(huán)壽命的測(cè)試方法。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定這些參數(shù)的測(cè)定參照鈷酸鋰的測(cè)試方法執(zhí)行。對(duì)于磷酸鐵鋰正極材料，GB/T30835-2014中規(guī)定了磷酸鐵鋰首次庫(kù)倫效率、首次可逆比容量、倍率性能的測(cè)定方法。測(cè)試步驟標(biāo)準(zhǔn)中也有詳細(xì)規(guī)定。

除了以上手段對(duì)鋰離子電池正極材料的電化學(xué)性能進(jìn)行分析，還可以采用循環(huán)伏安法和電化學(xué)交流阻抗法對(duì)正極材料的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行表征。吳建波等采用循環(huán)伏安法和電化學(xué)交流阻抗法對(duì)錳酸鋰粉體及薄膜電極的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了分析，找出影響其電化學(xué)性能的主要?jiǎng)恿W(xué)因素。圖4是其循環(huán)伏安圖譜。通過圖譜中的氧化還原電位差，可以反映電極材料的可逆性。

圖４循環(huán)伏安曲線

圖5是錳酸鋰粉體在不同電極電位下的膜電阻和膜電容圖。通過圖中膜電阻和膜電容的情況，可以反映鋰離子嵌脫反應(yīng)阻力的大小。

圖５錳酸鋰粉體的膜電阻和膜電容隨電極電位的變化

三、總結(jié)

材料理化性能和應(yīng)用性能的分析方法很多，從中篩選和確定適合鋰離子電池正極材料性能的分析方法，有助于鋰離子電池正極材料工作者準(zhǔn)確分析自己材料的性能，也有助于不同鋰離子電池正極材料工作者相互之間數(shù)據(jù)的比較，對(duì)推動(dòng)鋰離子電池正極材料的發(fā)展有重要的意義。