ZetaAPS聲衰減技術用于驗證鋰離子電池老化機理的探究

鋰離子電池是目前應用的最為廣泛的可充電移動電源，鋰離子電池的老化過程種常常伴隨著其組件的物理、化學及機械性能的變化，探究鋰離子電池老化的機制及其過程中的性能變化成為能源領域的研究熱點。

有研究表明，陰極材料是影響鋰離子電池性能變化的重要部件，因為陰極材料是決定容量和電池壽命的關鍵部件[1,2]，其中陰極材料的顆粒大小對電極性能影響較大[3]，隆得里納大學Jair Scarminio團隊的研究中采集了高性能（High State of Health）及低性能（Low State of Health）狀態手機里的鋰電池陰極材料，用以探究與驗證電池老化循環之后的機械性能的變化。

圖1：從L (a)和H (b)陰極中提取LiCoO2粉末的SEM圖像，L (c)和H (d)陰極中聲衰減法技術測量的LiCoO2粒徑分布，以及L (e)和H (f)陰極的SEM圖像得到的粒度分布圖

在這項研究里，為了表征高/低性能狀態的陰極材料顆粒的粒度變化，研究者選用了兩種檢測手段，分別是掃描電鏡技術（SEM）（儀器型號FEI，QUANTA 200）以及聲衰減技術（acoustic attenuation technique）(儀器型號Zeta APS)。從其中的測試結果可以看到，低性能狀態鋰離子電池的陰極材料L-LiCoO2的粒度明顯低于H-LiCoO2樣品，這是由于隨著電池的多次循環使用，其中的陰極材料LiCoO2會逐漸破碎，最終造成電池的充放電性能的下降。

對比兩種方法測試得到的檢測結果的差異，可以看到掃描電鏡技術測得的顆粒尺寸范圍大于聲衰減技術的檢測結果，對此作者給出了合理的解釋：這兩種方法得到的尺寸分布之間的差異歸因于統計效應的參差，因為SEM技術單視野內的檢測顆粒數量不超過100個，而通過聲衰減技術的檢測量可以達到1mol。作者對于此結果得出的結論是掃描電鏡技術雖然可以直觀地觀察到顆粒形貌，但是聲衰減技術得到的檢測結果更具有統計學上的代表性。

采用聲衰減技術進行顆粒測量的優勢是其檢測原理僅僅依賴于其本身的密度等物理性質，避免了傳統光學原理檢測方法需要稀釋樣品的缺點，可以原液進行檢測，使得檢測結果具有較好的準確性。

胤煌科技推出的Zeta APS原液/高濃度粒度及Zeta電位分析儀具有獨特的技術優勢：

√一個樣品池中，實現粒度分布（PSD）及 Zeta 電位的檢測；

√ 可通過攪拌或者流動的形式直接測量樣品，無需稀釋；

√ 兼容水相 / 有機相，有 / 無顏色，酸 / 堿性（pH: 0-14）樣品類型；

√ 可測量多孔材料塊體的孔隙率和表面 Zeta 電位；

√ 可同時測量 pH 值、溫度、電導率、表面電荷密度、雙電層厚度和聲速等參數；

√ 在測量過程中，自帶樣品混合系統或者泵循環系統，不受顆粒沉降的影響；

√ 插入式 Zeta 電位傳感器允許在樣品池或獨立容器中進行測量；

√ 自動的電位滴定和容量滴定，用于最簡單和最快的 IEP；

√ 堅固耐用，操作簡單，維護工作量少，檢測快速；

胤煌科技(YinHuang Technology)是一家專注于為醫藥、半導體及化工材料等行業提供檢測分析設備及技術服務的高科技公司，致力于為客戶提供全面、準確的檢測分析和解決方案。主營產品包括不溶性微粒分析儀，可見異物檢查分析儀，原液粒度及Zeta電位分析儀，CHDF高精度納米粒度儀，高分辨納米粒度儀，溶液顏色測定儀，澄清度測定儀等，公司自主研發的YH-MIP系列顯微計數法不溶性微粒儀、YH-FIPS系列流式動態圖像法粒度儀，YH-FIPS系列微流成像顆粒分析儀已經在生物醫藥、半導體及材料化工領域得到廣泛應用.

參考文獻

[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. Gr?ting, 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