ZetaAPS声衰减技术用于验证锂离子电池老化机理的探究

ZetaAPS声衰减技术用于验证锂离子电池老化机理的探究

锂离子电池是目前应用的最为广泛的可充电移动电源，锂离子电池的老化过程种常常伴随着其组件的物理、化学及机械性能的变化，探究锂离子电池老化的机制及其过程中的性能变化成为能源领域的研究热点。

有研究表明，阴极材料是影响锂离子电池性能变化的重要部件，因为阴极材料是决定容量和电池寿命的关键部件[1,2]，其中阴极材料的颗粒大小对电极性能影响较大[3]，隆得里纳大学Jair Scarminio团队的研究中采集了高性能（High State of Health）及低性能（Low State of Health）状态手机里的锂电池阴极材料，用以探究与验证电池老化循环之后的机械性能的变化。

图1：从L (a)和H (b)阴极中提取LiCoO2粉末的SEM图像，L (c)和H (d)阴极中声衰减法技术测量的LiCoO2粒径分布，以及L (e)和H (f)阴极的SEM图像得到的粒度分布图

在这项研究里，为了表征高/低性能状态的阴极材料颗粒的粒度变化，研究者选用了两种检测手段，分别是扫描电镜技术（SEM）（仪器型号FEI，QUANTA 200）以及声衰减技术（acoustic attenuation technique）(仪器型号Zeta APS)。从其中的测试结果可以看到，低性能状态锂离子电池的阴极材料L-LiCoO2的粒度明显低于H-LiCoO2样品，这是由于随着电池的多次循环使用，其中的阴极材料LiCoO2会逐渐破碎，最终造成电池的充放电性能的下降。

对比两种方法测试得到的检测结果的差异，可以看到扫描电镜技术测得的颗粒尺寸范围大于声衰减技术的检测结果，对此作者给出了合理的解释：这两种方法得到的尺寸分布之间的差异归因于统计效应的参差，因为SEM技术单视野内的检测颗粒数量不超过100个，而通过声衰减技术的检测量可以达到1mol。作者对于此结果得出的结论是扫描电镜技术虽然可以直观地观察到颗粒形貌，但是声衰减技术得到的检测结果更具有统计学上的代表性。

采用声衰减技术进行颗粒测量的优势是其检测原理仅仅依赖于其本身的密度等物理性质，避免了传统光学原理检测方法需要稀释样品的缺点，可以原液进行检测，使得检测结果具有较好的准确性。

胤煌科技推出的Zeta APS原液/高浓度粒度及Zeta电位分析仪具有独特的技术优势：

√一个样品池中，实现粒度分布（PSD）及 Zeta 电位的检测；

√ 可通过搅拌或者流动的形式直接测量样品，无需稀释；

√ 兼容水相 / 有机相，有 / 无颜色，酸 / 碱性（pH: 0-14）样品类型；

√ 可测量多孔材料块体的孔隙率和表面 Zeta 电位；

√ 可同时测量 pH 值、温度、电导率、表面电荷密度、双电层厚度和声速等参数；

√ 在测量过程中，自带样品混合系统或者泵循环系统，不受颗粒沉降的影响；

√ 插入式 Zeta 电位传感器允许在样品池或独立容器中进行测量；

√ 自动的电位滴定和容量滴定，用于最简单和最快的 IEP；

√ 坚固耐用，操作简单，维护工作量少，检测快速；

胤煌科技(YinHuang Technology)是一家专注于为医药、半导体及化工材料等行业提供检测分析设备及技术服务的高科技公司，致力于为客户提供全面、准确的检测分析和解决方案。主营产品包括不溶性微粒分析仪，可见异物检查分析仪，原液粒度及Zeta电位分析仪，CHDF高精度纳米粒度仪，高分辨纳米粒度仪，溶液颜色测定仪，澄清度测定仪等，公司自主研发的YH-MIP系列显微计数法不溶性微粒仪、YH-FIPS系列流式动态图像法粒度仪，YH-FIPS系列微流成像颗粒分析仪已经在生物医药、半导体及材料化工领域得到广泛应用.

[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.2018.04.038.