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1月19日晚間，一輛新能源汽車在上海某小區地下車庫自燃并爆炸。從網絡上流傳的事故現場照片和視頻可以看出，車輛已面目全非，只剩車架，車前蓋大開。

來源網絡

自打新能源車問世以來，“充電”與“安全”這兩大話題便一直形影不離、不離不棄的陪伴著它，但充電鋰離子電池電子設備頻繁發生事故，一度讓人“談電池色變”，因此，為了生產出安全、持久的電池，對電池材料及添加劑顆粒的表征對于質量控制和制造工藝的優化都非常重要。

最常見的可充電電池是鋰離子電池。鋰離子電池的主要組成部分是陰極(正極)、陽極(負極)和電解質。大多數鋰離子電池有一個正極(陰極)，由鍍在鋁箔上的金屬鋰氧化物制成；一個負極(陽極)，由鍍在銅箔上的碳(例如石墨)組成(圖1)。目前有多同類型的鋰離子電池。電池材料的選擇決定了電池的性能和獨特性。

圖1：鋰離子電池的內部結構

粒度的作用和粒度分布

電池材料的粒度和粒度分布會影響鋰離子的擴散，從而改變所生產電池的功率密度(釋放電流、負載能力)和能量密度(儲能、電池容量)。表1給出了與粒度有關的主要差異

表1：與粒徑有關的主要差異

大顆粒和小顆粒混合的寬PSD具有較高的填充密度(圖2)，并可生產高負載的電池材料(厚電極)，這有助于提高能量密度(存儲能量)。

圖2：小顆粒和大顆粒的雙峰顆粒混合物的堆積密度

Zeta電位研究與添加劑的相互作用

鋰氧化物正極材料的主要缺點是導電性和離子導電性差。碳基產品，如炭黑和石墨，有助于提高導電性，但不涉及鋰離子電池的電化學氧化還原過程。碳基產品通過填充活性物質顆粒之間的自由空間，提高正極材料的可循環性。通過這種作用，提高電極的導電性。

所述碳添加劑應與正極材料形成均勻的混合物，以獲得穩定的電極漿液和在箔片上均勻的涂層。因此，通過測量zeta電位，應最大限度地提高不同類型顆粒材料之間的靜電相互作用。為了促進相互作用，粒子最好具有相反的表面電荷。

實驗法方案

• 激光衍射法進行粒度分析

采用基于激光衍射法的安東帕粒度分析儀(PSA)進行測量，測試的電極材料見表2。

PSA

表2：分析所選用的正極和負極材料

• 電泳光散射法測量Zeta電位

pH值對zeta電位有重要影響，因為它改變了表面和納米顆粒懸浮液的電荷。研究了不同pH值下zeta電位的變化，以確定電極材料與碳導電添加劑之間可能的相互作用。

對綠色能源的需求要求電池生產所用的材料和溶劑要更加環保。用水替代電池漿料中的有機溶劑是實現高能量可持續性的第一步。

用水代替有機溶劑(如n -甲基-2-吡咯烷酮，NMP)制備了三種懸浮液：

? 0.05 % 炭黑

? 0.05 % 石墨

? 0.1 % 鈷酸鋰

zeta電位的測量是通過電泳光散射(ELS)在Litesizer 500使用自動pH滴定裝置附件進行的。

Litesizer 500

結論與討論

• 電極材料的粒度和粒度分布

LCO的粒度最大，跨度最大，而NCM和NCA的平均粒度較小，分布較窄(圖3)

圖3：三種不同正極材料的粒徑分布

通過減小粒度和寬度，電池存儲能量的能力降低。這是因為較小的顆粒增加了團聚的趨勢，減少了空隙。因此，電解質的體積和電池的容量也會降低。然而，小顆粒給予的大表面積減少了電極內的擴散距離，有助于促進電極與電解質之間的離子交換。實際上，NMC和NCA樣品是低容量、高能量密度和快速充電的正極材料。

至于負極材料的結果，從圖4中可以看出，天然石墨和合成石墨的粒度分布具有可比性。

圖4：天然石墨和合成石墨的粒度分布

在PSA中還測量了細粒度(表3)。這一信息有助于在生產階段評估成品電池的性能和穩定性。事實上，在多分散電極粉末中，小顆粒百分比越高，即細粒度越高，填料越致密。因此，在充放電循環過程中，由于鋰離子的插入而引起的體積變化，大顆粒之間的空隙較少，同時較大的表面積有利于電極與電解質的接觸。

表3：用PSA法測得的電極材料中小顆粒的含量

• LCO和導電添加劑的Zeta電位

圖5：炭黑、石墨和LCO的zeta電位在不同pH下的變化

從圖5可以看出，炭黑和石墨顆粒的zeta電位大多為負，而LCO顆粒在pH 4以下的zeta電位為正。這意味著，對于添加了碳添加劑的電極漿液，為了促進碳添加劑與電極材料之間的靜電相互作用，應將混合物的pH調至pH 4或更低。

近年來，研究的重點轉向提高電極材料導電性的新方法。其中大部分碳基材料被用作導電添加劑。最終電池漿料中不同組分的最佳混合比例嚴格依賴于靜電相互作用。因此，為了獲得具有更大的抗斷裂能力的均勻涂層，必須進行zeta電位測量。

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