三元电池材料检测知多少

2019-10-29 17:10:36, 分析中心岛津企业管理（中国）有限公司

导读

新能源行业的发展目前驶入了快车道，动力电池的发展如火如荼，三元材料（NCM）电池成为了动力电池行业的主流选择。超长续航力和安全性能好的新型电池，成为新能源电池的发展方向。常见三元材料有NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等，数字代表Ni、Co、Mn的摩尔比例。其中镍钴锰比例可在一定范围内调整，其性能也会随着发生变化。随着镍元素含量的升高，三元正极材料的比容量逐渐升高，电芯的能量密度也会随之提高。

三元材料为三方层状结构，理想情况下，各原子应该各司其位、各司其职，方能支撑体系的稳定和可靠，奈何偏偏有些捣蛋鬼，对，说的就是你，Ni²⁺！由于Ni²⁺和Li⁺离子半径接近，Ni²⁺有时就很淘气，不老老实实在自己工位上工作，经常会霸占Li⁺的位置而发生阳离子混排，呃，文绉绉的讲，就是鸠占鹊巢！这种混排造成的无序状态不仅会降低放电比容量，还会阻碍Li+的扩散，最终导致电池电化学性能变差。

小编带您来看下如何全面实现对三元材料的成分及物相的把控：

成分分析—岛津EDX一键搞定

三元材料（NCM）中的镍、钴、锰的测定，传统多采用化学分析方法，存在前处理复杂、分析时间长、误差大等问题，较难满足生产线快速检测的委托需求。岛津EDX-7000能量色散X射线荧光光谱仪，配置高性能的SDD检测器，元素分析范围广。样品无需复杂的前处理便可以实现准确的定量分析，具有简单高效、操作方便、经济性好、无环境负担、分析结果稳定性好的优点，可应用于锂电池企业的质量控制和研发工作。

岛津EDX-7000

使用压片机将三元材料（NCM）粉末压片成型，在EDX-7000仪器中直接测试即可。经试验验证，该分析方法有很好的分析稳定性，且测试结果（表1中分析值）和ICP分析结果（表1中参考值）有较好的一致性。

表1 准确度分析结果

针对大批量样品分析，岛津公司还推出了EDX自动化系统，该产品可以有效提高分析效率，缩短分析周期，减少人工依赖，降低分析成本。

物相分析—见微知著，“精”益求“晶”

老话常说：“性格决定命运”，言外之意，性格是内因驱动，命运是外在表现；相应的，对于材料及分析领域，也有一句话：“微观结构决定宏观性能”，可见，如果能够对材料结构信息进行精确测定，亦能做到“见微知著”。而X射线衍射仪（XRD）作为一种应用最广泛的结构分析利器，小编此次要讲的就是它在锂电池正极材料领域大展拳脚的故事。

岛津XRD-7000

通常，利用XRD衍射谱图中(003)面衍射峰与(104)面衍射峰强度比I(003)/I(104)来衡量上述离子混排程度，利用晶胞参数c、a比值c/a来表征三元材料层状结构是否良好，当I(003)/I(104)>1.2且c/a>4.9时，认为阳离子混排程度轻，层状结构保持较好，电化学性能较为优异。由此可见，如何精确的测定晶胞参数对研究三元材料非常重要。结合Rietveld精修进行分析，可以更为精确的测定晶胞参数等结构信息。好的，至此，任务明确了，方法也确定了，下面，就请各位看官正式欣赏岛津X射线衍射仪“精（修）”益求“晶（晶胞参数）”这出大戏，别眨眼哦，小心错过精彩剧情。。。

将样品研磨至手捻无颗粒感直接测试，样品衍射谱图如图1所示，衍射峰峰形尖锐，表明样品结晶良好。由结果可知样品为纯相的三方结构，没有明显的杂质相衍射峰，这表明样品中Ni、Co、Mn等离子均以固溶物的形式存在。直接利用岛津软件读出各衍射峰强度I，很容易计算得到I(003)/I(104)为1.69，明显大于1.2，说明该样品阳离子混排度较小。

图1 样品物相解析结果及面指数

图2 Rietveld精修后的计算谱与实测谱

利用MAUD程序完成Rietveld精修，两者之间的差异见图2下方的误差线，可见，误差线比较平直，表示两者几乎没有偏差，拟合度较高。Rietveld精修完成后，可以直接从MAUD软件读出晶胞参数等物理量，列于表2。由表2很容易计算出c/a值为4.96，大于4.9，说明该样品层状结构良好。

此外，Kisuk Kang等人研究表明，晶胞参数c值大小与Li⁺离子迁移速率密切相关，c值越大，Li⁺迁移速率越大，材料的快速充放电能力越强，因此，精确测得的晶胞参数亦可拓展用于衡量不同成分配比或不同工艺下三元正极材料的快速充放电能力。

表2 样品晶胞参数

总结

通过对锂电池三元正极材料衍射谱图进行物相解析，确认了其为纯相的三方层状结构，没有明显的杂质相；直接读取衍射峰强度，通过简单的计算得到I(003)/I(104)，即可判断Ni²⁺离子有多调皮；通过Rietveld精修直接获得了准确的晶胞参数，可用于判断层状结构是否良好，亦可拓展用于衡量不同成分配比或不同工艺下三元正极材料快速充放电能力。

各位看官怎么样，咱家仪器是不是很能干！！！

撰稿人：刘建红、崔会杰