動力鋰離子電池系列二：負(fù)極材料解決方案
發(fā)布時間:2021-02-23 閱讀次數(shù)：899次
背景簡介SHIMADZU
上一篇文章里面，我們介紹了當(dāng)前商品化的動力鋰離子電池當(dāng)中正極材料及其檢測的綜合解決方案，本篇我們將介紹負(fù)極材料及其檢測方面的相關(guān)知識。
負(fù)極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體，鋰離子在充/放電過程中嵌入/脫出于負(fù)極材料，因此負(fù)極在電池放電時流出電子。鋰電池的首次效率、循環(huán)性能等受負(fù)極材料影響較大，其性能也受負(fù)極材料的直接影響。從成本上看，負(fù)極材料占鋰電池總成本5~15%左右。
當(dāng)前有多種碳系和非碳系類型材料可作為鋰離子電池的負(fù)極材料。但綜合考慮性能/成本等因素，目前商品化的負(fù)極材料，主要活性成分仍然是天然石墨或人工石墨，其他成分為用于改善性能用的添加劑（例如碳納米管）以及粘結(jié)劑等。將幾種材料充分勻漿后，涂布在集流體——銅箔上，再干燥、輥壓、切片形成鋰電池的負(fù)極。因此分析檢測也是從這些組成成分的角度來進(jìn)行。
負(fù)極材料的完整解決方案
國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)涉及負(fù)極材料的并不多，目前有以下四項(xiàng)：
實(shí)際的研發(fā)、生產(chǎn)及質(zhì)控過程中則會涉及較多的檢測指標(biāo)。島津具備多種表征及測試設(shè)備，可幫助負(fù)極材料企業(yè)及電池企業(yè)應(yīng)對各種測試需求。
特色應(yīng)用SHIMADZU
1、 晶體結(jié)構(gòu)和石墨化度（G）的檢測
石墨有兩種晶相——六方相和菱方相。一般情況下兩種結(jié)構(gòu)共存，只是比例不同。它們的比例關(guān)系，可以通過X射線衍射儀來進(jìn)行測定。
石墨化度（G）是衡量碳素物質(zhì)從無定形碳通過結(jié)構(gòu)重排，其晶體接近完美石墨的程度。G值越大則越容易石墨化，同時晶體結(jié)構(gòu)的有序程度也越高，相應(yīng)的晶格缺陷就越少，電子的遷移阻力就越小。最終表現(xiàn)為如果G值越高，電池的性能越好，另外也可以通過G值來估算鋰離子電池的克容量。
石墨化度的測試需要精確測定C(002)峰位，它的測定對峰位準(zhǔn)確度要求很高，通常采用摻入硅粉內(nèi)標(biāo)的辦法消除制樣誤差和裝樣誤差，利用Si(111)實(shí)測峰位和標(biāo)準(zhǔn)峰位的角度差來校正C(002)角度。島津的X射線衍射儀具有高穩(wěn)定性、高安全性、簡便快捷的操作軟件等優(yōu)點(diǎn)，對負(fù)極材料的晶體結(jié)構(gòu)和石墨化度檢測具有較好的效果。
XRD-6100
XRD測試參數(shù)
石墨化度的測試譜圖
譜圖經(jīng)過Basic Process程序處理，得到衍射角的測試值，經(jīng)布拉格公式可以計算出面間距，代入富蘭克林公式即可得到石墨化度。
石墨化度計算結(jié)果
2、 XPS表征鋰電池負(fù)極表面元素分布
負(fù)極集流體(銅箔)在高溫處理階段如不加以處理，表層銅會被氧化從而影響電池性能，因此會采用表面鈍化處理來抑制該問題的發(fā)生。鈍化的手段一般是在表面鍍上含六價鉻（Cr6+）的膜層。對于六價鉻的價態(tài)分析，目前僅有X射線光電子能譜儀（XPS）能較好地應(yīng)對測試需求。
AXIS SUPRA+
島津的AXIS SUPRA+型XPS具有高靈敏、高分辨（空間、能量）和智能化的特點(diǎn)，可較好地應(yīng)對這方面的測試需求。下例是使用AXIS SUPRA+型XPS來表征負(fù)極集流體的表面氧化程度。
測試結(jié)果表明：探測到Cr6+，因此確實(shí)有鈍化的產(chǎn)生；但銅箔表面并未全部有Cr6+的覆蓋，因此仍然有部分產(chǎn)生了氧化層。