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锂电新型解决方案 | 单颗粒力学性能测试系统

2024/03/12 阅读?42

方案摘要

一、背?/strong>

1. 单颗粒抗压强度和材料/极片/电芯性能的关聓/span>

在微观尺度上，电极由纳米级或微米级颗粒组成。因此，电极材料固有的颗粒特性对电池的电化学性能起着决定性的作用。为了获得具有理想电化学性能的电极材料，人们对颗粒材料的晶体结构、形貌、力学性能和颗粒改性方法进行了广泛而深入的研究。我们可以通过成分调整、微观结构优化和表面改性等来改善颗粒材料的电化学性能、/span>
力学性能方面，对电池材料单个颗粒测试抗压强度，可用于评估材料的耐压性，指导辊压工艺。力学强度高的材料，后续的循环稳定性也会较好，如图1所示、/span>

?.锂电材料颗粒的抗压性和不同层级材料应用的关聓/p>

一方面，颗粒的抗压强度高，表明颗粒能承受更高强度的外力，更不易被压碎；对应到极片压制过程，可使材料或极片具有更高的压实密度，可以在单位空间内负载更多的正极或负极材料，有助于提高电池容量密度、/span>
另一方面，颗粒整体的抗压强度和最终所制成电芯的性能也存在一定的关联。抗压强度高的材料，会提升电池的综合电化学性能。在电芯循环过程中，随着锂离子的脱嵌，颗粒的内部应力累积到一定程度，会出现裂纹或破碎，颗粒的力学强度逐步降低，从而缩短电芯的使用寿命1-3、/span>
例如Parkb1等人的研究表明，Mg的掺杂可以提高NCM622粒子的硬度，从而改善NCM622正极的循环性能，因此，作者认为颗粒硬度是直接影响NCM622正极长期循环稳定性的关键因素；电池正负极材料的机械强度（抗压性）影响正负极材料的电化学性能。这种关联为正负极材料的研究提供了新的思路、/span>
此外，我们常常需要通过模拟仿真来优化电极制造工艺参数，比如辊压工艺，或者预测电池充放电中的微观结构演变过程。对电极进行精细化结构仿真时，模型需要颗粒材料的详细性能参数，包括力学性能参数，如弹性模型和断裂强度等。单颗粒力学性能能够快速准确获得这些参数，从而有助于建立更精准的模型、/span>
因此，锂电材料单颗粒力学性能测试不仅能够提供关键的材料性能参数，还有助于深入理解材料性能与电池性能之间的关系，从而指导电池设计和制造过程，提高电池的性能和寿命、/span>
2. 现有表征方法存在的局限?/span>
现有的一些材料表面微观力学性能的表征方法，如原子力显微镜的力曲线测试、纳米压痕仪的硬度测试等，测试的主要还是薄膜或者涂层基材的力学性能，对于微米层级的电池材料颗粒并不适用，很难反映颗粒自身的抗压性。其它的一些表征方法，如表1所示，也各自存在一定局限性，无法直观、定量描述颗粒的抗压性能、/span>

?.锂电颗粒强度表征方法及其局限?/p>

二、锂电单颗粒力学性能测试系统

1. 产品基本信息

?. 元能科技单颗粒力学性能测试系统SPFT2000

基于锂电材料单颗粒力学性能的重要意义，以及众多锂电行业研发人员的对单颗粒表征的急切需求，元能科技推出单颗粒力学性能测试系统SPFT Single particle Force properties Tester），如图2所示、/span>

?.单颗粒力学性能测试系统SPFT功能模块

SPFT由光学显微镜、压力测量系统、位移测量系统、力位移控制系统组成，通过高精度的位移和压力控制，可采集压头加载到单个颗粒上后的应力应变曲线，从曲线的突变点分析颗粒压溃力。测试过程中，可以借助光学显微镜观察颗粒在压前压后的形态、测试颗粒的尺寸信息等、/span>
2. 产品功能特点
SPFT是专为锂电材料开发的单颗粒力学性能测试设备，能够根据锂电颗粒的特性进行定制化的测试模式的设计，专用性好、基础功能齐全、性价比高。其中结构设计上大胆创新，采用底部光学系统的方式，这样在颗粒测试过程中可观察到压头和颗粒的相对位置，人员操作更直接和简便，减少压偏、颗粒被压跑、或者压到多个颗粒的风险，也可以从底部观测到颗粒压溃前后的溃散状态。SPFT具体的功能特点如?所示、/span>



?. 单颗粒力学性能测试系统功能特点

3. 测试方法
?）参照GB/T 43091-2023粉末抗压强度测试方法执行4、/span>
?）样品测试步骤包含：制样，定位，模式选择，测试开始，整个过程仅需几分钟、/span>
?）测试过程、颗粒被压溃前后图片，如?、/span>


压溃剌/strong>



压溃名/strong>



过程动图

?. 单颗粒测试过程形貋/section>


三、应用案侊/strong>
SPFT提供多种测试模式，测试人员可以根据样品类型或者不同测试需求选择相应的测试模式。以下案例采用控制位移测试应力的测试模式（如?），即以恒定的位移速率对颗粒下压，测试颗粒被压缩过程中颗粒应力的变化、/span>

?. 控制位移的测试模弎/p>

位移速率单位为μm/s，通常范围为（0.1~0.5μm/s），位移稳定性控制在±0.01μm以内。当压头下压至位移行程上限或所设置的压力上限，软件自动停止测试并保存数据、/span>
1. 三元颗粒A1和A2
两款三元材料A1和A2由同种前驱体烧结而成，但烧结工艺不同，颗粒粒径D50均为18μm。我们采用SPFT2000测试两款材料的不同颗粒，结果如图7所示。A1的平均压溃力?1.2mN，A2的平均压溃力?5.8mN。且A2被压溃时位移的变化量（压溃点对应的横坐标）略大于A1，这说明A2被压得更深时才压碎，平均多压0.8μm。上述结果表明，A2的抗压性优于A1，改变烧结工艺可以一定程度提升材料硬度。单颗粒力学性能表征方法可以为材料的烧结工艺提供指导、/span>

?.A1和A2的应?应变曲线及压溃力对比

2. 三元颗粒B1和B2
两款三元材料B1和B2由不同前驱体烧结而成，颗粒粒径D50均为9.5μm。我们采用SPFT2000测试两款材料的单颗粒力学性能，结果如?所示。B1的平均压溃力?.4mN，B2的平均压溃力?mN，B2的压溃力大于B1。从曲线看，B1被压溃后，应力下降到零点，而B2压溃后的力下降到2mN，且B1颗粒被压溃后，随着压头的继续下压，?位移曲线上存在多段的平台。这说明B1颗粒可能存在较快过程的结构破碎，材料弹性比B2小，而当一次破碎后，压头下压过程，可能存在部分破碎的颗粒被二次压碎、/span>
这两种材料按照相同的工艺组装为半电池后，45℃循?0圈，B1对应的电池的容量保持率为84%，而B2的容量保持率?4%，B2的循环稳定性更好，这与B2在材料层级的单颗粒硬度更高也有一定的关联性、/span>

?.B1和B2应力-应变曲线及压溃力对比


四、关于单颗粒力学测试系统SPFT的更多信息说昍/strong>

1. 测试对象
除了上述案例展示的锂电三元正极材料，锂电其它正负极材料，包括正极三元单晶、富锂材料、负极石墨、硅基、固态电解质等等，均可试验。需要说明的是，受颗粒形成过程中复杂的外部环境条件作用，部分材料颗粒的内部结构存在较大的差异性。因此，即便是形状相似、粒径相近的颗粒，其抗压强度也会表现出显著的变异性、/span>
2. 测试颗粒尺寸
单颗粒粒径大小：5~50um，圆球状或圆柱状的颗粒测试效果更佳、/span>
3. 应用场景
材料企业、电芯企业的材料研发部门、品控部门、高校做材料开发的课题组等，可用于材料设计和优化验证、/span>
总之，锂电材料单颗粒的抗压强度（抗压溃强度）测试，可用于评估材料的抗压性，有助于指导研发人员材料优化、工艺设计和电芯研发、/strong>
? 参考文?/strong>
1. Janghyuk Moona, Jae Yup Jungb, Trung Dinh Hoanga, Dong Young Rheeb, Hyo Bin Leeb, Min-Sik Parkb,*, Ji-Sang Yuc,** The correlation between particle hardness and cycle performance of layered cathode materials for lithium-ion batteries，Journal of Power Sources 486(2021)229359
2. Sergiy Antonyuka, Jürgen Tomasa, Stefan Heinrichb, Lothar Mörlb, Breakage behaviour of spherical granulates by compression,Chemical Engineering Science 60 (2005) 4031 4044.
3. 张雨生，由晓明，何箐. 8YSZ 团聚粉体压溃强度及其对PS-PVD 沉积行为的影响研 [J]. 技 ? 2022, 14(3): 46-57.
4. GB/T 43091-2023 《粉末抗压强度测试方法《/span>


元能科技（厦门）有限公司

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单颗粒力学性能测试系统

型号：SPFT1000

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