粉體的邊界粒徑即粒度分布中的Dmin和Dmax（最小值和最大值）。比方說，對(duì)于建筑涂料而言，它影響的是流平性和上粉率；對(duì)于生物醫(yī)藥而言，它影響的吸收率和比率……不同行業(yè)對(duì)它的敏感度大相徑庭，比如鋰電池中包括正負(fù)極材料、隔膜涂覆在內(nèi)，邊界粒徑都是嚴(yán)重影響其最終電化學(xué)性甚至安全性的重要參數(shù)。因此，鋰電也是為數(shù)不多的，幾乎對(duì)全部相關(guān)原材料邊界粒徑甚至邊界顆粒絕對(duì)數(shù)量有著高要求的行業(yè)，業(yè)內(nèi)評(píng)價(jià)相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的重要標(biāo)準(zhǔn)正是能否準(zhǔn)確快速地“捕獲”超限粉體！

明確鋰電池生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)粒度測(cè)試提出了哪些要求，有利于幫助我們理解行業(yè)為何對(duì)其如此緊張。

鋰電池生產(chǎn)流程對(duì)粒徑測(cè)試（紅框）和大顆粒嚴(yán)格控制（藍(lán)底）環(huán)節(jié)示意圖

（圖片來源：貝克曼庫爾特的鋰電應(yīng)用解決方案）

在對(duì)鋰電客戶應(yīng)用信息整合過程中，貝克曼庫爾特總結(jié)認(rèn)為——目前并不存在某種可以滿足不同路線、不同材料、不同流程的通用檢測(cè)設(shè)備，必須針對(duì)性地結(jié)合實(shí)際需要提出不同設(shè)備甚至設(shè)備組合才能解決行業(yè)真實(shí)訴求。

細(xì)粉檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景案例

對(duì)于正負(fù)極材料，不同產(chǎn)品有最合適的粒徑分布。顆粒粒徑越小，越有利于大電流密度下鋰離子在材料中嵌脫，倍率性會(huì)更好，但同時(shí)這也會(huì)造成可逆容量的降低和壓實(shí)密度下降。如三元正極在前驅(qū)體和碳酸鋰煅燒成三元材料球形顆粒過程中，就會(huì)產(chǎn)生少量不適宜的細(xì)粉顆粒。這些細(xì)粉顆粒的存在會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生不良影響，因此在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格監(jiān)控這些細(xì)粉。

LS13320XR干濕法測(cè)試NCM正極材料得到的粒徑分布圖

如上圖，在保證干濕法測(cè)試結(jié)果吻合的基礎(chǔ)上，可以看到除了主峰10.87μm，0.5-4μm之間還存在一個(gè)小峰，即細(xì)粉顆粒。

上述應(yīng)用案例的基礎(chǔ)在于激光粒度儀能夠精準(zhǔn)檢測(cè)微米級(jí)粉體的細(xì)微差異，能夠發(fā)現(xiàn)亞微米級(jí)甚至納米級(jí)細(xì)粉，尤其是在面對(duì)寬粒度分布樣品時(shí)也能規(guī)避“假峰”呈現(xiàn)真實(shí)。貝克曼庫爾特基于XD陣列檢測(cè)器、PIDS專利技術(shù)、ADAPT多峰自動(dòng)檢測(cè)推出LS13320系列激光粒度儀，徹底解決了粒度儀因靈敏度低、分辨率差而導(dǎo)致對(duì)細(xì)粉的遺漏和疏忽的頑疾。

異常大顆粒檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景案例

過往對(duì)鋰電池放電的研究顯示，鋰離子的嵌入反應(yīng)主要發(fā)生在小尺寸顆粒上，只有當(dāng)小顆粒嵌入接近飽和的后期，嵌入反應(yīng)才會(huì)轉(zhuǎn)移至大尺寸顆粒上，而電化學(xué)反應(yīng)在不同尺寸顆粒表面轉(zhuǎn)移，會(huì)引起極化現(xiàn)象加劇，繼而造成電池放熱直至導(dǎo)致鼓包甚至自燃事故。其次，正負(fù)極中的異常大顆粒會(huì)導(dǎo)致極片涂布不均，少量大顆粒會(huì)使能量密度下降，而大顆粒過多則會(huì)導(dǎo)致極片不合格和報(bào)廢。此外，占據(jù)電池成本15%的電解液在電池的能量密度、功率密度、寬溫應(yīng)用、循環(huán)壽命、安全性能等方面扮演著至關(guān)重要的角色，而電解液在注入前也需要濾除大顆粒。

如上圖所示，激光粒度儀測(cè)試得到的Dmax（最大顆粒）為12.22μm，庫爾特法測(cè)試結(jié)果則顯示13μm以上存在兩顆異常大顆粒。到底哪個(gè)結(jié)果更準(zhǔn)確呢？

首先科普下庫爾特原理(亦稱：電阻法、電脈沖法與電感應(yīng)區(qū)技術(shù))：懸浮在電解液中的顆粒隨電解液通過小孔管時(shí)，取代相同體積的電解液，在恒電流設(shè)計(jì)的電路中導(dǎo)致小孔管內(nèi)外兩電極間電阻發(fā)生瞬時(shí)變化，產(chǎn)生電位脈沖。脈沖信號(hào)的大小和次數(shù)與顆粒的大小和數(shù)目成正比。

之所以得名庫爾特法，正是因?yàn)樵撛碜钤缬擅绹?guó)貝克曼庫爾特公司的創(chuàng)始人庫爾特兄弟提出并使之成熟應(yīng)用于微小顆粒的數(shù)量和體積（粒徑）的絕對(duì)測(cè)量。在粒度測(cè)量行業(yè)，曾有不止一位學(xué)者指出：激光粒度儀是一種分析儀器，并非測(cè)量?jī)x器，它測(cè)的是粒度分布。而基于庫爾特法的庫爾特顆粒計(jì)數(shù)器則是名副其實(shí)的測(cè)量?jī)x器。不僅可以測(cè)量粒度分布，而且還可以給到顆粒的數(shù)量和體積（粒徑）的絕對(duì)值。在監(jiān)測(cè)異常大顆粒時(shí)，哪個(gè)更準(zhǔn)確不言而喻。

如圖所示，對(duì)電解液使用200μm小孔管對(duì)其直接測(cè)試結(jié)果顯示10μm以上大顆粒有22個(gè)，換算為顆粒濃度為858個(gè)/ml。

可能有人會(huì)問，那豈不是直接用庫爾特顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行粒度測(cè)試就夠了，還要激光粒度儀干什么？其實(shí)，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，各有擅場(chǎng)。簡(jiǎn)單說，激光粒度儀更適合宏觀測(cè)試寬分布顆粒樣品，庫爾特顆粒計(jì)數(shù)器更適合窄分布精準(zhǔn)捕捉。在充分了解兩者特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用會(huì)創(chuàng)造出意想不到的效果！

激光粒度和庫爾特分析儀對(duì)球形前驅(qū)體和正極材料顆粒的致密度分析

就正極材料而言，疏松的多孔顆粒比表面相比密實(shí)的顆粒更大，其振實(shí)密度和壓實(shí)密度自然就低，電池容量會(huì)變小，電解液和正極材料界面反應(yīng)更劇烈也導(dǎo)致循環(huán)壽命差；另一方面，疏松的多孔顆粒會(huì)因?yàn)榭紫陡喽逛囯x子傳輸通道變多，電池倍率性能得以提升。

通過激光粒度儀和庫爾特分析儀進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，激光粒度儀會(huì)因?yàn)樽陨淼牡刃蝮w積無法排除顆粒間隙體積而得出更大結(jié)果，庫爾特分析儀卻會(huì)因?yàn)殡娮璺ㄔ淼贸鲱w粒間隙進(jìn)入電解液后排除間隙體積后的真實(shí)體積，兩個(gè)結(jié)果相對(duì)比則可以推算出材料的致密度信息。是不是很神奇？！

小結(jié)

新能源汽車產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)受到熱捧，我國(guó)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》中提到新能源汽車新車銷量在2025年占比達(dá)到20%左右，而國(guó)內(nèi)發(fā)展技術(shù)最成熟的鋰電池純電動(dòng)車在2019年的銷量近100萬輛，可見未來市場(chǎng)有很大發(fā)展空間。但是，目前鋰電池成本、續(xù)航和安全問題仍亟待突破，而在鋰電正負(fù)極材料的研發(fā)和制備中，粒度控制是連續(xù)合成工藝的核心技術(shù)。鋰電從業(yè)人員只有手握利器，才能更好地推動(dòng)行業(yè)快速走向光明的未來。

感謝：貝克曼庫爾特公司分享的行業(yè)粒度測(cè)試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)

粉體圈 啟東