锂离子电池正极三元NCM材料的真密度表征

  锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。随着能源的紧缺和世界环保方面的压力，锂离子电池被广泛应用于电动车行业，从一开始的电动摩托车、三轮车，到现在广泛普及的新能源小汽车，再到未来计划全面取代燃油公交车的新能源公交车，新能源车以其无污染、低噪声、节能、经济等特点，慢慢走进了人们的视线，并在国家政策的大力推动下，逐步取代燃油车，成为人们主要的代步工具。随着对新能源车的需求不断增加，以及对新能源车性能的要求不断提高，对高性能锂离子电池的需求也不断增大，锂离子电池的研发和生产单位如雨后春笋般大量涌现出来。

锂离子电池有四大关键材料：正极、负极、隔膜和电解液。其充放电原理如下图所示：

其中，正极材料是决定锂离子电池性能和成本的重要因素，也是制约电池容量进一步提高的关键因素；是电池能量密度提高的关键技术突破方向，从磷酸铁锂（LFP）、三元到高镍三元，电池能量密度不断提升。出于对材料能量密度、循环寿命、成本以及安全性的考虑，目前，最热门的正极材料主要是磷酸铁锂（LFP)和镍钴锰酸锂（NCM）三元电池材料。

对锂离子电池正极材料研发和生产过程中的性能表征，是确保锂离子电池最终性能必不可少的重要过程。材料的密度测试，正是需要考察的一个重要指标。对于研发人员来说，提高正极材料的真实密度，意味着可以提高锂离子电池的能量密度，提高电池的性能；而在生产过程中，保证正极材料真密度指标稳定，是确保锂离子电池产品稳定的重要操作。

       本文中，我们使用了美国麦克仪器公司的AccuPyc II真密度检测仪，对镍钴锰酸锂（NCM）三元电池材料的密度进行了表征。AccuPyc II采用气体置换法原理，利用氦气作为气体介质，置换材料空隙及孔隙中的空气，获得材料的实际体积数据，并根据测试样品的质量，计算出材料的真实密度。气体测密度法是世界公认的测骨架体积和密度的最可靠的技术之一。该技术采用气体置换法测试出体积，所用气体为惰性气体，如氦气或氮气，所以能够达到无损检测的状态。并且，由于气体分子比较小，所以测得的真密度比传统的阿基米德浸液法更准确，重复性更高。下图是仪器的工作原理图，样品在样品仓中形成密封环境，打开1阀，气体进入样品仓，达到一定压力后，阀门关闭，待样品与气体达到平衡后，压力传感器读取此时压力P1。之后2阀打开，气体则会从样品仓扩散进入扩展仓，待两个仓内的气体和样品达到平衡后，压力传感器读取此时压力P2。之后基于理想气体状态方程PV=nRT，换算出材料的真实体积V，代入ρ=m/V，计算出材料的真实密度。

测试原理图

仪器外观图