超聲法電聲法設備在锂離子電池行業的應用

ZetaAPS聲衰減技術用於驗證锂離子電池老化機理的探究

       锂離子電池是目前應用的最爲廣泛的可充電移動電源，锂離子電池的老化過程種常常伴随著(zhe)其組件的物理、化學及機械性能的變(biàn)化，探究锂離子電池老化的機制及其過程中的性能變(biàn)化成爲能源領域的研究熱點。

       有研究表明，陰極材料是影響锂離子電池性能變化的重要部件，因爲陰極材料是決定容量和電池壽命的關鍵部件[1,2]，其中陰極材料的顆粒大小對電極性能影響較大[3]，隆得裏納大學Jair Scarminio團隊的研究中採(cǎi)集瞭(le)高性能（High State of Health）及低性能（Low State of Health）狀态手機裏的锂電池陰極材料，用以探究與驗證電池老化循環之後的機械性能的變化。

圖1：從(cóng)L (a)和H (b)陰極中提取LiCoO2粉末的SEM圖像，L (c)和H (d)陰極中聲衰減法技術測(cè)量的LiCoO2粒徑分布
，以及L (e)和H (f)陰極的SEM圖像得到的粒度分布圖

       在這項研究裏，爲瞭(le)表征高/低性能狀态的陰極材料顆粒的粒度變化，研究者選用瞭(le)兩種檢測手段，分别是掃描電鏡技術（SEM）（儀器型号FEI，QUANTA 200）以及聲衰減技術（acoustic attenuation technique）(儀器型号Zeta APS)。從其中的測試結果可以看到，低性能狀态锂離子電池的陰極材料L-LiCoO2的粒度明顯低於H-LiCoO2樣品，這是由於随著(zhe)電池的多次循環使用，其中的陰極材料LiCoO2會逐漸破碎，最終造成電池的充放電性能的下降。

       對比兩種方法測試得到的檢測結果的差異，可以看到掃描電鏡技術測得的顆粒尺寸範圍大於(yú)聲衰減技術的檢測結果，對此作者給出瞭(le)合理的解釋：這兩種方法得到的尺寸分布之間的差異歸因於(yú)統計效應的參差，因爲SEM技術單視野内的檢測顆粒數量不超過100個，而通過聲衰減技術的檢測量可以達到1mol。作者對於(yú)此結果得出的結論是掃描電鏡技術雖然可以直觀地觀察到顆粒形貌，但是聲衰減技術得到的檢測結果更具有統計學上的代表性。

       採用聲衰減技術進行顆粒測量的優勢是其檢測原理僅僅依賴於(yú)其本身的密度等物理性質，避免瞭(le)傳統光學原理檢測方法需要稀釋樣品的缺點，可以原液進行檢測，使得檢測結果具有較好的準確性。

胤煌科技推出的Zeta APS原液/高濃(nóng)度粒度及Zeta電(diàn)位分析儀具有dute的技術優勢：

√一個樣品池中，實現粒度分布（PSD）及 Zeta 電(diàn)位的檢測(cè)；

√ 可通過攪拌或者流動(dòng)的形式直接測(cè)量樣品，無需稀釋；

√ 兼容水相 / 有機(jī)相，有 / 無顔色，酸 / 堿(jiǎn)性（pH: 0-14）樣品類型；

√ 可測(cè)量多孔材料塊體的孔隙率和表面 Zeta 電(diàn)位；

√ 可同時測(cè)量 pH 值、溫度、電導率、表面電荷密度、雙電層厚度和聲速等參(cān)數；

√ 在測(cè)量過程中，自帶(dài)樣品混合系統或者泵循環系統，不受顆粒沉降的影響；

√ 插入式 Zeta 電位傳(chuán)感器允許在樣品池或獨立容器中進行測(cè)量；

√ 自動的電(diàn)位滴定和容量滴定，用於(yú)zui簡單和最快的 IEP；

√ 堅固耐用，操作簡單(dān)，維護工作量少，檢測(cè)快速；

胤煌科技(YinHuang Technology)是一家專注於爲醫藥、半導體及化工材料等行業提供檢測分析設備及技術服務的高科技公司，緻力於爲客戶提供全面、準確的檢測分析和解決方案。主營産品包括不溶性微粒分析儀，可見異物檢查分析儀，原液粒度及Zeta電位分析儀，CHDF高精度納米粒度儀，高分辨納米粒度儀，溶液顔色測定儀，澄清度測定儀等，公司自主研發的YH-MIP系列顯微計數法不溶性微粒儀、YH-FIPS系列流式動态圖像法粒度儀，YH-FIPS系列微流成像顆粒分析儀已經在生物醫藥、半導體及材料化工領域得到廣泛應用.

參考文獻

[1] F. Schipper, E.M. Erickson, C. Erk, J.-Y. Shin, F.F. Chesneau, D. Aurbach, Review - Recent advances and remaining challenges for lithium ion battery cathodes, J. Electrochem. Soc. 164 (2017) A6220–A6228. doi:10.1149/2.0351701jes.

[2] R. Hausbrand, G. Cherkashinin, H. Ehrenberg, M. Gröting, K. Albe, C. Hess, W. Jaegermann, Fundamental degradation mechanisms of layered oxide Li-ion battery cathode materials: Methodology, insights and novel approaches, Mater. Sci. Eng. B. 192 (2015) 3–25. doi:10.1016/j.mseb.2014.11.014.

[3] M. Aklalouch, R.M. Rojas, J.M. Rojo, I. Saadoune, J.M. Amarilla, The role of particle size on the electrochemical properties at 25 and at 55 °C of the LiCr0.2Ni0.4Mn1.4O4 spinel as 5 V-cathode materials for lithium-ion batteries, Electrochim. Acta. 54 (2009) 7542–7550. doi:10.1016/j.electacta.2009.08.012.

[４]Stephany Pires da Silva, Lucas Evangelista Sita, Caroline Santana dos Santos, Fernando Henrique Pavoni, Henrique de Santana, Avacir Casanova Andrello, Paulo Rogério Catarini da Silva, Jair Scarminio,Physical and chemical characterization of LiCoO2 cathode material extracted from commercial cell phone batteries with low and high states of health, Materials Chemistry and Physics,213（2018）,198-207．http://doi.org/10.1016/j.matchemphys