中国分析测试协会
China Association for Instrumental Analysis

动力锂离子电池系列二:负极材料解决方案

文章来源:岛津企业管理(中国)有限公司
2021-02-23 19:57



  背景简介SHIMADZU

  上一篇文章里面,我们介绍了当前商品化的动力锂离子电池当中正极材料及其检测的综合解决方案,本篇我们将介绍负极材料及其检测方面的相关知识。


  负极材料是锂离子电池储存锂的主体,锂离子在充/放电过程中嵌入/脱出于负极材料,因此负极在电池放电时流出电子。锂电池的首次效率、循环性能等受负极材料影响较大,其性能也受负极材料的直接影响。从成本上看,负极材料占锂电池总成本5~15%左右。


  当前有多种碳系和非碳系类型材料可作为锂离子电池的负极材料。但综合考虑性能/成本等因素,目前商品化的负极材料,主要活性成分仍然是天然石墨或人工石墨,其他成分为用于改善性能用的添加剂(例如碳纳米管)以及粘结剂等。将几种材料充分匀浆后,涂布在集流体——铜箔上,再干燥、辊压、切片形成锂电池的负极。因此分析检测也是从这些组成成分的角度来进行。


负极材料的完整解决方案


  国家/行业标准涉及负极材料的并不多,目前有以下四项:

aimage002.jpg


  实际的研发、生产及质控过程中则会涉及较多的检测指标。岛津具备多种表征及测试设备,可帮助负极材料企业及电池企业应对各种测试需求。


aimage004.png


  特色应用SHIMADZU

  1、 晶体结构和石墨化度(G)的检测

  石墨有两种晶相——六方相和菱方相。一般情况下两种结构共存,只是比例不同。它们的比例关系,可以通过X射线衍射仪来进行测定。


  石墨化度(G)是衡量碳素物质从无定形碳通过结构重排,其晶体接近完美石墨的程度。G值越大则越容易石墨化,同时晶体结构的有序程度也越高,相应的晶格缺陷就越少,电子的迁移阻力就越小。最终表现为如果G值越高,电池的性能越好,另外也可以通过G值来估算锂离子电池的克容量。


  石墨化度的测试需要精确测定C(002)峰位,它的测定对峰位准确度要求很高,通常采用掺入硅粉内标的办法消除制样误差和装样误差,利用Si(111)实测峰位和标准峰位的角度差来校正C(002)角度。岛津的X射线衍射仪具有高稳定性、高安全性、简便快捷的操作软件等优点,对负极材料的晶体结构和石墨化度检测具有较好的效果。


aimage005.png

XRD-6100


XRD测试参数

aimage008.jpg


aimage010.jpg


石墨化度的测试谱图


  谱图经过Basic Process程序处理,得到衍射角的测试值,经布拉格公式可以计算出面间距,代入富兰克林公式即可得到石墨化度。


石墨化度计算结果

aimage012.jpg


  2、 XPS表征锂电池负极表面元素分布


  负极集流体(铜箔)在高温处理阶段如不加以处理,表层铜会被氧化从而影响电池性能,因此会采用表面钝化处理来抑制该问题的发生。钝化的手段一般是在表面镀上含六价铬(Cr6+)的膜层。对于六价铬的价态分析,目前仅有X射线光电子能谱仪(XPS)能较好地应对测试需求。


aimage013.png

AXIS SUPRA+


  岛津的AXIS SUPRA+型XPS具有高灵敏、高分辨(空间、能量)和智能化的特点,可较好地应对这方面的测试需求。下例是使用AXIS SUPRA+型XPS来表征负极集流体的表面氧化程度。


aaimage014.jpg


aimage016.jpg


  测试结果表明:探测到Cr6+,因此确实有钝化的产生;但铜箔表面并未全部有Cr6+的覆盖,因此仍然有部分产生了氧化层。