电池爆炸是新能源汽车的第一“杀手”吗？

1月19日晚间，一辆新能源汽车在上海某小区地下车库自燃并爆炸。从网络上流传的事故现场照片和视频可以看出，车辆已面目全非，只剩车架，车前盖大开。

来源网络

自打新能源车问世以来，“充电”与“安全”这两大话题便一直形影不离、不离不弃的陪伴着它，但充电锂离子电池电子设备频繁发生事故，一度让人“谈电池色变”，因此，为了生产出安全、持久的电池，对电池材料及添加剂颗粒的表征对于质量控制和制造工艺的优化都非常重要。

最常见的可充电电池是锂离子电池。锂离子电池的主要组成部分是阴极(正极)、阳极(负极)和电解质。大多数锂离子电池有一个正极(阴极)，由镀在铝箔上的金属锂氧化物制成；一个负极(阳极)，由镀在铜箔上的碳(例如石墨)组成(图1)。目前有多同类型的锂离子电池。电池材料的选择决定了电池的性能和独特性。

图1：锂离子电池的内部结构

粒度的作用和粒度分布

电池材料的粒度和粒度分布会影响锂离子的扩散，从而改变所生产电池的功率密度(释放电流、负载能力)和能量密度(储能、电池容量)。表1给出了与粒度有关的主要差异

表1：与粒径有关的主要差异

大颗粒和小颗粒混合的宽PSD具有较高的填充密度(图2)，并可生产高负载的电池材料(厚电极)，这有助于提高能量密度(存储能量)。

图2：小颗粒和大颗粒的双峰颗粒混合物的堆积密度

Zeta电位研究与添加剂的相互作用

锂氧化物正极材料的主要缺点是导电性和离子导电性差。碳基产品，如炭黑和石墨，有助于提高导电性，但不涉及锂离子电池的电化学氧化还原过程。碳基产品通过填充活性物质颗粒之间的自由空间，提高正极材料的可循环性。通过这种作用，提高电极的导电性。

所述碳添加剂应与正极材料形成均匀的混合物，以获得稳定的电极浆液和在箔片上均匀的涂层。因此，通过测量zeta电位，应最大限度地提高不同类型颗粒材料之间的静电相互作用。为了促进相互作用，粒子最好具有相反的表面电荷。

实验法方案

• 激光衍射法进行粒度分析

采用基于激光衍射法的安东帕粒度分析仪(PSA)进行测量，测试的电极材料见表2。

PSA

表2：分析所选用的正极和负极材料

• 电泳光散射法测量Zeta电位

pH值对zeta电位有重要影响，因为它改变了表面和纳米颗粒悬浮液的电荷。研究了不同pH值下zeta电位的变化，以确定电极材料与碳导电添加剂之间可能的相互作用。

对绿色能源的需求要求电池生产所用的材料和溶剂要更加环保。用水替代电池浆料中的有机溶剂是实现高能量可持续性的第一步。

用水代替有机溶剂(如n -甲基-2-吡咯烷酮，NMP)制备了三种悬浮液：

• 0.05 % 炭黑

• 0.05 % 石墨

• 0.1 % 钴酸锂

zeta电位的测量是通过电泳光散射(ELS)在Litesizer 500使用自动pH滴定装置附件进行的。

Litesizer 500

结论与讨论

• 电极材料的粒度和粒度分布

LCO的粒度最大，跨度最大，而NCM和NCA的平均粒度较小，分布较窄(图3)

图3：三种不同正极材料的粒径分布

通过减小粒度和宽度，电池存储能量的能力降低。这是因为较小的颗粒增加了团聚的趋势，减少了空隙。因此，电解质的体积和电池的容量也会降低。然而，小颗粒给予的大表面积减少了电极内的扩散距离，有助于促进电极与电解质之间的离子交换。实际上，NMC和NCA样品是低容量、高能量密度和快速充电的正极材料。

至于负极材料的结果，从图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。

图4：天然石墨和合成石墨的粒度分布

在PSA中还测量了细粒度(表3)。这一信息有助于在生产阶段评估成品电池的性能和稳定性。事实上，在多分散电极粉末中，小颗粒百分比越高，即细粒度越高，填料越致密。因此，在充放电循环过程中，由于锂离子的插入而引起的体积变化，大颗粒之间的空隙较少，同时较大的表面积有利于电极与电解质的接触。

表3：用PSA法测得的电极材料中小颗粒的含量

• LCO和导电添加剂的Zeta电位

图5：炭黑、石墨和LCO的zeta电位在不同pH下的变化

从图5可以看出，炭黑和石墨颗粒的zeta电位大多为负，而LCO颗粒在pH 4以下的zeta电位为正。这意味着，对于添加了碳添加剂的电极浆液，为了促进碳添加剂与电极材料之间的静电相互作用，应将混合物的pH调至pH 4或更低。

近年来，研究的重点转向提高电极材料导电性的新方法。其中大部分碳基材料被用作导电添加剂。最终电池浆料中不同组分的最佳混合比例严格依赖于静电相互作用。因此，为了获得具有更大的抗断裂能力的均匀涂层，必须进行zeta电位测量。

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