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三元材料振实密度(三元材料松装密度)

三元材料振实密度(三元材料松装密度) 如何有效提高三元材料的压实密度?

影响正极极片压实密度的主要因素主要有以下四点:①材料真密度②材料形貌③材料粒度分布④极片工艺。

1.材料的真实密度

几种市售正极材料的真实密度和目前能达到的压实密度见表(表中选用的三元材料为NCM111)。可以看出,几种材料的真实密度是:钴酸锂>:三元材料>:锰酸锂>:磷酸亚铁锂,这是符合压实密度规律的。需要指出的是,不同组分的三元材料的真密度随着组分的变化而变化。

几种市售正极材料的真密度和压实密度范围

2.材料形态学

三元材料的真密度和钴酸锂差别不大。从上表可以看出,NCM111和钴酸锂的真实密度差只有0.3g & middotCm-3,但压实密度为0.5g &略低于钴酸锂;Cm-3甚至更高,造成这个结果的原因有很多,但最主要的原因还是钴酸锂和三元材料的形貌差异。

目前商用的钴酸锂是大单晶的一次颗粒,而三元材料是细小单晶的二次聚集体,如图。从图中可以看出,几百纳米的一次粒子聚集形成的三元材料二次球有很多空的间隙;极片做好之后,球与球之间会有很多空的空隙。以上原因进一步降低了三元材料的压实密度。

钴酸锂和三元材料的SEM图

3.材料的粒度分布

等径球叠起来,会有很多空的空隙。如果没有合适的小直径球来填充这些空空隙,堆积密度会很低。因此,合适的粒径分布可以提高材料的压实密度,而不合理的粒径分布会显著降低压实密度。

4.极片技术

极片的表面密度、粘合剂和导电剂的量都会影响压实密度。常见导电剂和粘合剂的真实密度如表所示。从表中可以看出,

常见导电剂和粘合剂的真实密度

材料的真密度对压实密度的影响是无法改变的,但是从压实密度和真密度的对比可以看出,三元材料的压实密度有了空的大幅提高。

如何提高压实密度

目前提高压实密度的方法主要从材料形貌、材料粒度分布和极片工艺三个方面。比如将三元材料的形貌制备成类似钴酸锂的大单晶;优化三元材料的粒度分布;极片制作时使用导电性好的导电剂,减少导电剂用量,调浆过程高速分散,使导电剂和粘合剂分散均匀,等等。

以下是通过优化三元材料的形貌和粒度来提高三元材料压实密度的实例。

1.优化外观。

几种常见三元材料的形貌及其极片(轧制后)的SEM图像如图所示。其中(a)、(c)和(e)是具有三种不同形态的三元材料的SEM图像,放大倍数相同。(b)、(d)和(f)分别是(a)、(c)和(e)的轧制极片的低倍SEM照片。

(a)显示了最常见的三元物质形态,即小单晶的二次聚集体。轧制极片的SEM图如(b)所示,二次粒子之间存在较大的空间隙,部分二次粒子已经破碎,部分未接触粘结剂的小单晶已经脱落。(c)的形貌为一次单晶三元材料,但略大于(a)。从其对应的极片(d)可以看出,在单晶颗粒之间有几个空间隙。因为不存在二次颗粒破碎的问题,只要粘结剂分散均匀,就不会有单晶从极片上脱落的问题。(e)虽然也是二次聚集体,但单晶较大,单晶与单晶之间的接触不是很紧密。从其对应的极片(f)可以看出,颗粒间的空间隙很小,如果用高速搅拌机配浆,效果会更好。

图中三种形貌(A)、(C)、(E)的材料压实密度结果对应(g)中的A、C、E。从图中可以看出,( a)的压实密度最低,但与(c)相似,( e)的压实密度远高于(a)和(c ),达到3.9g & middot厘米-3 .

不同形貌三元材料及其极片的SEM图像和压实密度比较

2.优化粒度分布。

如果D50相近的材料的D10、D90、Dmin和Dmax不同,压实密度也会不同。如果颗粒尺寸分布过窄或过宽,材料的压实密度会降低。对于粒度分布的影响,有的电池厂商会对正极材料厂商提出要求,有的电池厂商会通过混合不同粒度的产品来提高压实密度,如图。

 
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