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能頂住MCT(微小壓縮試驗(yàn)機(jī))的壓力,才是一顆合格的正極材料

2023年06月17日 12:46:03      來(lái)源:上海百賀儀器科技有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺(tái)      閱讀量:42

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油價(jià)破九的那一刻,您是否也動(dòng)過(guò)油車(chē)換電車(chē)的念頭?新能源電動(dòng)汽車(chē)的興起正在改變交通出行方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),續(xù)航里程、電池循環(huán)壽命則成為人們關(guān)注的新焦點(diǎn)。

 

 

三元正極材料(NCM)因能量密度高且循環(huán)性能好,得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而NCM在充放電過(guò)程中其顆粒內(nèi)部易產(chǎn)生微裂紋和相變,從而導(dǎo)致正極材料的機(jī)械降解,增加電池電阻并導(dǎo)致容量和循環(huán)性能下降。根據(jù)韓國(guó)大學(xué)Janghyuk Moon[1]等對(duì)NCM機(jī)械降解機(jī)理的研究,NCM結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與電循環(huán)性能直接相關(guān),尤其顆粒硬度將影響長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。對(duì)μm級(jí)NCM顆粒力學(xué)性能的測(cè)試,是評(píng)價(jià)其機(jī)械性能的重要方式。島津微小壓縮試驗(yàn)機(jī)(MCT)準(zhǔn)確把握微小力的測(cè)量,為材料機(jī)械性能的研究提供穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 

正極材料力學(xué)性能測(cè)試難點(diǎn)

在Janghyuk Moon等的研究中所測(cè)試的NCM材料為直徑8μm的粉體,單顆粒硬度143MPa,折合受力僅約10mN,破裂時(shí)樣品的壓縮形變僅1μm,對(duì)這樣微小力與微小形變的準(zhǔn)確觀測(cè)十分困難。島津MCT系列微小壓縮試驗(yàn)機(jī)因其可加載9.8-4903 mN(載荷準(zhǔn)確度:試驗(yàn)力±1%),測(cè)量范圍0-100μm(最小增量:0.0001μm)解決了NCM材料顆粒試驗(yàn)的觀測(cè)難題。

MCT系列微小壓縮試驗(yàn)機(jī)

 

島津MCT在NCM硬度測(cè)試中的應(yīng)用

MCT通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)將恒定增速的試驗(yàn)力施加至NCM顆粒上,并將其固定在上壓桿(標(biāo)配的50 μm平壓頭)和下壓板之間,然后自動(dòng)測(cè)量試樣的變形量,工作原理如下圖。在Janghyuk Moon等的研究中,NCM顆粒的硬度測(cè)試根據(jù)其壓縮斷裂強(qiáng)度來(lái)確定,該強(qiáng)度在斷裂點(diǎn)使用施加的壓縮力和顆粒直徑進(jìn)行計(jì)算:

H = 2.8P/(πr2)    

其中H是壓縮斷裂強(qiáng)度,P是施加的壓縮力,r是顆粒的直徑。

 

工作原理圖

 

 

  • 位移急劇增加表明試樣已發(fā)生破裂。

  • 試樣的機(jī)械強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度)由引起破裂力確定。

 

島津MCT在NCM壓縮試驗(yàn)中的應(yīng)用

 

除硬度測(cè)試外,MCT還能夠以加卸載、循環(huán)模式對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

MCT壓縮試驗(yàn)過(guò)程圖像

 

對(duì)于微米級(jí)別的NCM顆粒,可以通過(guò)MCT系列試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行顆粒壓縮試驗(yàn),不僅可以獲取其壓縮斷裂強(qiáng)度,更可以獲取其試驗(yàn)力、位移與強(qiáng)度等數(shù)據(jù)關(guān)系曲線(xiàn),而且可以觀察其彈性階段的線(xiàn)性變化。更進(jìn)一步,MCT系列試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)加/卸載試驗(yàn)?zāi)J綔y(cè)試顆粒的壓縮率與回復(fù)率,通過(guò)循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試其反復(fù)施力后材料性能等等。

 

下圖是對(duì)三種不同的NCM顆粒進(jìn)行壓縮試驗(yàn),評(píng)價(jià)其壓縮試驗(yàn)與回復(fù)率。得到數(shù)據(jù)的同時(shí),可以將每張壓縮前后照片進(jìn)行記錄。后期還能夠結(jié)合圖像分析粉末材料的失效機(jī)制。

NCM顆粒壓縮試驗(yàn)結(jié)果

 

MCT的豐富配件

除此基本配置以外,島津MCT可以加裝豐富配件:

  • 搭載側(cè)面觀察配件可以從側(cè)面觀察樣品的放大圖像,可以在PC屏幕上顯示圖像,并且可在任何運(yùn)行過(guò)程中保存;

  • 配置環(huán)境溫度箱使用,對(duì)不同溫度下的微小樣品壓縮性能進(jìn)行測(cè)試;

  • 配置惰性環(huán)境箱,對(duì)于容易受潮的微粒子且在大氣中不能進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的測(cè)試顆粒,起到良好的測(cè)試效果;

  • 搭配電阻測(cè)量配件可以可獲取導(dǎo)電微小顆粒的連接阻力和壓縮率之間的相關(guān)性。

     

    島津公司生產(chǎn)的MCT系列微小試驗(yàn)機(jī)適用于NCM正極材料這類(lèi)微小粉末顆粒的力學(xué)性能評(píng)價(jià),不僅可以繪制相應(yīng)載荷-位移曲線(xiàn),還可以通過(guò)計(jì)算獲取壓縮強(qiáng)度,壓縮回復(fù)率等參數(shù)。此外,通過(guò)加裝縱向與側(cè)向觀察裝置,可以對(duì)顆粒的壓縮過(guò)程進(jìn)行觀察。隨著鋰電池正極材料的深入研究,在不同環(huán)境下測(cè)試其力學(xué)性能也將成為關(guān)注點(diǎn),島津MCT可提供豐富的解決方案。

     

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