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近些年，國家對能源問題、環(huán)保問題的關(guān)注日益提升，國家出臺碳中和相關(guān)政策，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，新能源及其相關(guān)行業(yè)也隨之發(fā)展迅猛。其中，非常具有代表性的新能源車以其無污染、節(jié)能、經(jīng)濟等特點，強勢走進(jìn)了人們的視線，并在國家政策的大力推動下愈發(fā)火爆。隨著對新能源車的需求不斷增加，對高性能鋰離子電池的需求也不斷增大，鋰離子電池的研發(fā)和生產(chǎn)單位如雨后春筍般大量涌現(xiàn)。

鋰離子電池有四大關(guān)鍵材料：正極、負(fù)極、隔膜和電解液。其充放電原理如下圖所示。

其中，正極材料是決定鋰離子電池性能和成本的重要因素，也是制約電池容量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素；是電池能量密度提高的關(guān)鍵技術(shù)突破方向。從磷酸鐵鋰（LFP）、三元到高鎳三元，電池能量密度不斷提升。處于對材料能量密度、循環(huán)壽命、成本以及安全性的考慮，目前，最熱門的正極材料主要是磷酸鐵鋰（LFP）和鎳鈷錳酸鋰（NCM）三元電池材料。

對鋰離子電池正極材料研發(fā)和生產(chǎn)過程中的性能表征，是確保鋰離子電池最終性能必不可少的重要過程。材料的密度測試，正是需要考察的一個重要指標(biāo)。對于研發(fā)人員來說，提高正極材料的真實密度，意味著可以提高鋰離子電池的能量密度，提高電池的性能；而在生產(chǎn)過程中，保證正極材料真密度指標(biāo)穩(wěn)定，是確保鋰離子電池產(chǎn)品穩(wěn)定的重要操作。

本文中，我們使用了 Micromeritics 的 AccuPyc 系列真密度檢測儀，對鎳鈷錳酸鋰（NCM）三元電池材料的密度進(jìn)行了表征檢測。AccuPyc系列儀器采用氣體置換法原理，利用 He 作為氣體介質(zhì)，獲得材料的實際體積數(shù)據(jù)，并根據(jù)測試樣品的質(zhì)量，計算出材料的真實密度。氣體測密度法是世界公認(rèn)的測骨架體積和密度的最可靠技術(shù)之一，該技術(shù)采用氣體置換法測試出體積，所用氣體為惰性氣體，如氦氣或氮氣，所以能夠達(dá)到無損檢測的狀態(tài)。并且，由于氣體分子比較小，所以測得的真密度比傳統(tǒng)的阿基米德浸液法更準(zhǔn)確，重復(fù)性更高。

下圖是儀器的工作原理圖，樣品在樣品倉中形成密封環(huán)境，打開 1 閥，氣體進(jìn)入樣品倉，達(dá)到一定壓力后，閥門關(guān)閉，待樣品與氣體達(dá)到平衡后，壓力傳感器讀取此時壓力 P1 。之后 2 閥打開，氣體則會從樣品倉擴散進(jìn)入擴展倉，待兩個倉內(nèi)的氣體和樣品達(dá)到平衡后，壓力傳感器讀取此時壓力 P2 。之后基于理想氣體狀態(tài)方程 PV=nRT，換算出材料的真實體積 V ，帶入 p=m/V，計算出材料的真實密度。 

實驗步驟

1. 清潔樣品池。先用水清洗，用柔軟的紗布或紙巾擦拭，亦可用乙醇進(jìn)行沖洗，常溫晾干或 90℃ 烘干。 

2. AccuPyc 系列儀器開機。測試前，先打開 AccuPyc 主機及操作軟件進(jìn)行主機預(yù)熱，預(yù)熱時間至少 30 分鐘。

3. 稱量。先把 10 cc 的樣品杯置于萬分之一天平上，讀數(shù)穩(wěn)定后，去皮。將樣品杯拿出裝入樣品，樣品體積大概占據(jù)樣品杯體積 80%-90%。再次進(jìn)行稱量，獲取樣品實際質(zhì)量，并記錄下來。之后把樣品杯放入到儀器樣品倉中。

4. 設(shè)定測試條件。設(shè)定測試條件中最重要的參數(shù)是質(zhì)量、壓力和測試次數(shù)。質(zhì)量決定了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，一定要輸入正確的質(zhì)量。壓力確定了結(jié)果的正確性，需要采用跟參考文件/標(biāo)準(zhǔn)/參考文獻(xiàn)相同的壓力，才能獲得具有可比性的數(shù)據(jù)。測試次數(shù)決定著測試時間，測試次數(shù)越多，測試時間越長。本實驗采用的測試條件為：測試壓力 P=19.5psi；吹掃次數(shù)10次；測試次數(shù)10次。

5. 運行測試。

6. 報告數(shù)據(jù)。

   
   

測試結(jié)果及分析

經(jīng)過測試，我們得到了如下結(jié)果：

NCM 的體積平均值為 3.3577 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.0010 g/cm3；密度平均值為 4.5769 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.0014 g/cm3。

通過密度和體積表格可查看每一次循環(huán)測試的結(jié)果。

從上面的表格中可以看出，材料的真實體積都在3.35cm3 范圍內(nèi)，僅在小數(shù)點后第三位出現(xiàn)浮動，計算得出的密度約為 4.57 g/cm3，同樣僅在小數(shù)點后第三位出現(xiàn)浮動。這個變化可以說非常小了。

接下來我們以體積對循環(huán)次數(shù)做圖，并以平均體積做標(biāo)準(zhǔn)線，可以得到下圖所示的結(jié)果。圖中紅色的圓點是十次的體積測試值，中間紅色的水平線為體積平均值。通過這個圖不難看出，十次測試的體積結(jié)果是圍繞著體積平均值波動，非常穩(wěn)定，并未出現(xiàn)持續(xù)走低等異?，F(xiàn)象。該圖中的綠色曲線是儀器內(nèi)部的溫度變化曲線。從圖中可以看出，整個測試過程中，儀器內(nèi)部溫度僅由26.76℃增加到26.98℃，過程中所到達(dá)的最高溫度是27℃。整個測試過程中，最大溫度浮動不超過 0.3℃。并且在溫度浮動到27℃時，儀器自動散熱，將溫度穩(wěn)定下來。

用質(zhì)量除以體積，即可得到密度。于是，可使用密度對循環(huán)次數(shù)做圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，密度曲線的趨勢與體積曲線相符，僅顯示出 180° 翻轉(zhuǎn)的關(guān)系。

結(jié)論

文本使用 Micromeritics 的 AccuPyc 系列全自動密度儀測試了鋰離子電池正極材料 NCM 的真實密度。測試過程操作簡單，快速，可精確地測試及計算電池材料的真實體積和密度。NCM 的體積平均值為 3.3577 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.0010 g/cm3 ；NCM 的密度平均值為 4.5769 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0014 g/cm3，測試結(jié)果僅在小數(shù)點后第三位浮動。所得的真密度結(jié)果可用作材料的研發(fā)分析以及生產(chǎn)質(zhì)量控制指標(biāo)。