背景
隨著技術(shù)的突破,全固態(tài)電池(ASSBs)正一步步從夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí),產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在加速,已處于革命前的黎明。
相較于傳統(tǒng)鋰離子電池,固態(tài)電池具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命、更高的安全性、更快的充電速度、更廣泛的應(yīng)用前景。

圖1:傳統(tǒng)鋰電池和全固態(tài)電池的比較
新型材料技術(shù)是固態(tài)電池成功與否的關(guān)鍵,包括固態(tài)電解質(zhì)材料、新型正負(fù)極材料、新型隔膜材料等,其中硫化物基全固態(tài)電池成為研究熱點(diǎn)。
負(fù)極材料:鋰金屬是固態(tài)電池負(fù)極材料的理想選擇,但面臨枝晶生長(zhǎng)、體積膨脹等挑戰(zhàn),石墨、硅基、錫基合金等作為過渡方案可提升安全性。

圖2: 全固態(tài)電池常見負(fù)極材料
正極材料:主要采用鋰金屬氧化物、磷酸鐵鋰、富鋰錳基(LMR)材料等,通過復(fù)合設(shè)計(jì)與界面涂層提升性能。

圖3:全固態(tài)電池正極常見材料
然而,商業(yè)化仍受制于枝晶生長(zhǎng)、固-固界面阻抗高等挑戰(zhàn)。
固態(tài)電池的關(guān)鍵角色——固態(tài)電解質(zhì),需具有高化學(xué)穩(wěn)定性,可降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
雖然市場(chǎng)熱度高燒不退,但該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化仍面臨諸多關(guān)鍵挑戰(zhàn),包括工藝難度和成本高、固-固界面化學(xué)與機(jī)械不穩(wěn)定性、鋰枝晶生長(zhǎng)帶來的短路風(fēng)險(xiǎn)等。
在這個(gè)進(jìn)程中,材料的創(chuàng)新是推動(dòng)固態(tài)電池向高性能、成本可控發(fā)展的關(guān)鍵。材料創(chuàng)新離不開表征工具的助力。

圖4:固態(tài)電解質(zhì)常見類型
來自?shī)W地利的百年企業(yè)——安東帕(Anton Paar)公司作為精密儀器制造商,可以為固態(tài)電池材料的研發(fā)提供全面、材料表征方案,包括孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙率、密度、顆粒度、比表面積、流變學(xué)、熱性能、表界面力學(xué)、微觀晶體結(jié)構(gòu)等,將在本系列文中為您一一呈現(xiàn)。
01
微觀孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙率
以及密度分析
離子在固態(tài)電解質(zhì)中的傳輸,強(qiáng)烈依賴于材料的微觀結(jié)構(gòu)。豐富的孔隙和合適的孔徑分布是鋰/鈉離子遷移的“高速公路網(wǎng)"。而界面調(diào)控、修飾所用的球形碳、氧化硅、多孔陶瓷等更需要進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的分析。傳統(tǒng)電鏡只能看到有限部分的材料結(jié)構(gòu),結(jié)果不具備充分代表性。微觀孔隙的低成本、快速表征在材料界氣體吸附儀,也就是人們常說的比表面和孔徑分析儀。
Autosorb 6100 高真空氣體吸附儀
Autosorb 6100 是微孔材料 BET 和孔徑研究的金標(biāo)準(zhǔn),是評(píng)價(jià)材料中離子傳輸通道的工具。它不僅可以快速測(cè)量比表面積、微孔孔徑分布,還可以利用它的循環(huán)吸附功能獲得材料穩(wěn)定性、特定環(huán)境下失效時(shí)間等信息。對(duì)環(huán)境敏感的硫化物基電解質(zhì),安東帕可提供手套箱、原位脫氣、密封轉(zhuǎn)移塞的方案,避免材料因?yàn)榻佑|空氣中的氧氣、蒸汽等引發(fā)材料失效。

PoraMaster 壓汞儀
壓汞儀用于測(cè)量電池極片、電解質(zhì)厚膜等具有較大孔徑樣品孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率。它利用汞或者非汞介質(zhì)(新技術(shù))的非浸潤(rùn)性,通過壓力使介質(zhì)進(jìn)入不同大小的孔隙中,通過壓力與壓入量的關(guān)系獲得孔徑分布、孔隙率、孔容等關(guān)鍵數(shù)據(jù),孔徑測(cè)量范圍可達(dá) 3nm 至 1mm。

UltraPYC 系列真密度儀
密度是計(jì)算電池能量密度的基礎(chǔ),也用于評(píng)估材料的結(jié)晶度、摻雜均勻性、燒結(jié)致密化程度、電極壓實(shí)密度、孔隙率、質(zhì)量比容量等關(guān)鍵指標(biāo)。
安東帕 UltraPYC 系列真密度儀采用氣體置換法,是經(jīng)典的真密度解決方案。它采用帕爾貼精密控溫,具有防污染雙向氣流、多個(gè)擴(kuò)展倉(cāng)、多容量樣品池,為固態(tài)電池材料提供精確、快速、無(wú)損的測(cè)定方案。

02
粒度粒形與穩(wěn)定性分析
固態(tài)電池正負(fù)極、電解質(zhì)等材料均為粉末顆粒形態(tài),顆粒的形貌、粒度、聚集形態(tài)的研究是關(guān)鍵的性能參數(shù)。對(duì)于硫化物等對(duì)環(huán)境敏感的固態(tài)電池材料,可以在干房或手套箱中使用安東帕的粒度儀進(jìn)行測(cè)量。
安東帕提供覆蓋從納米到微米尺度的完整粒度、粒形及 Zeta 電位表征方案,以 Litesizer 系列構(gòu)建“粉體-漿料"全鏈條分析能力,助您精準(zhǔn)掌控材料顆粒的每一個(gè)細(xì)節(jié)。
Litesizer DIF 系列激光粒度儀
Litesizer DIF 系列是以激光衍射法為基礎(chǔ)的、粉體粒度分布的“精準(zhǔn)標(biāo)尺"。它具備濕法、干法噴射分散方法,可以測(cè)試 10nm 至 3.5mm 的顆粒。可以對(duì)固態(tài)電解質(zhì)(如硫化物、氧化物)原料、正負(fù)極活性材料及其前驅(qū)體進(jìn)行快速、精確的粒度分析,實(shí)時(shí)監(jiān)控球磨、破碎、燒結(jié)等工藝效果,確保批次的均一性與穩(wěn)定性。
Litesizer DIA 系列動(dòng)態(tài)圖像粒度儀
Litesizer DIA 具備濕法、干法噴射以及自由落體三種分散方法??梢苑治?0.5μm 至 16mm 的顆粒。它采用動(dòng)態(tài)圖像分析技術(shù),不僅提供精確粒度統(tǒng)計(jì),更能定量分析顆粒的圓度、長(zhǎng)寬比等形貌參數(shù),直觀評(píng)估粉體的流動(dòng)性、堆積密度及團(tuán)聚狀態(tài),為優(yōu)化固-固界面接觸、降低界面阻抗提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

Litesizer DLS 系列納米粒度
及 Zeta 電位分析儀
Litesizer DLS 系列采用動(dòng)態(tài)光散射原理,可以實(shí)現(xiàn) 0.3nm - 15μm 的納米粒度和 Zeta 電位分析。其中,Zeta 電位是漿料分散穩(wěn)定性的“預(yù)警與調(diào)控"系統(tǒng)。
同步精確測(cè)量漿料中固態(tài)電解質(zhì)顆粒、活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑等的粒度與 Zeta 電位。Zeta 電位是預(yù)測(cè)膠體分散穩(wěn)定性的核心指標(biāo),通過優(yōu)化粘結(jié)劑、分散劑配方,獲得電位,可有效防止高固含量電極漿料的沉降與團(tuán)聚,保障涂布工藝的穩(wěn)定性,獲得厚度均勻、性能一致的電極片。


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