【热点应用】让电池材料中的超大颗粒无处遁形

电池的正负极材料通常采用粒度范围较窄的材料制造。然而，在材料加工过程中，可能会引入细粉、团聚体或污染物。虽然细粉可能会提高堆积密度，通常是有益的，但大团聚体和污染物则会带来严重风险——导致局部过热，降低电池性能，缩短电池寿命，并有可能危及电池本身安全性。检测这些超大颗粒具有重要意义，但同时也很具挑战性，因为它们在电极材料中的含量很低。 

激光衍射是电池材料粒度测量的行业标准。然而，传统系统常常会遗漏少数大颗粒的存在，因为它们的散射信号会被大量颗粒的信号所掩盖。 

为解决这一难题，我们探索了Mastersizer 3000+ 的增强功能，通过结合自适应激光衍射（Size Sure）和动态成像（Hydro Insight）技术，以提高检测灵敏度，并对单个颗粒进行可视化。

在Mastersizer 3000+ 上采用的自适应激光衍射（Size Sure）技术将整体衍射信号分为稳态和瞬态。稳态反映的是物料的主体部分，而瞬态事件（由异常大颗粒引起）则被单独记录和分析。这得益于Size Sure 技术，其每秒可捕获10,000 帧衍射图像，提供了超高的时间分辨率。 

动态成像（Hydro Insight）通过直观确认大颗粒的存在来补充Size Sure功能的检测结果。Mastersizer 3000+ 上的Hydro Insight 附件能够捕捉单个颗粒的高分辨率图像，以便独立验证和分类（例如，团聚体与真正的污染物）。 

在本案例研究中，我们对纯锂镍钴铝氧化物（LNCA）正极材料以及五个添加了不同浓度的42.7 微米球形玻璃颗粒的样品（分别命名为LNCA + G1 至 LNCA + G5）进行了测试。所有样品均在Mastersizer 3000+ 平台上进行了分析，使用的方法为： 

• 动态成像（Hydro Insight） 

• 经典激光衍射 （Laser Diffraction)

• 自适应衍射（Size Sure） 

样品在水中（加入少量的IGEPAL CA-630 表面活性剂）通过Hydro MV 分散装置进行分散。 

• Mastersizer 3000+ 激光粒度仪

• Hydro MV（带搅拌、超声和脱气功能的自动分散单元）——可zui大程度减少可能干扰大颗粒衍射信号的气泡 

• Hydro Insight（采用标准分辨率镜头的动态成像技术，用于分析1 至 300 微米尺寸范围内的物体） 

图1.Mastersizer 3000+ 配有Hydro MV 分散单元和Hydro Insight 动态成像装置

每个样本在20 分钟内拍摄了50 万张颗粒的图像。在纯LNCA 样品中，软件识别出三种颗粒群：细颗粒、规则颗粒和团聚体（图2），其Dv50 为 6.7 微米（图3）。    

图2. 使用Hydro Insight 附件和Mastersizer 3000+ 对 INCA 样品拍摄了50 万张颗粒图像。图像分析软件将颗粒分为三类：典型聚集体（左）、规则颗粒（中）和细颗粒（右）。 

图3. 利用Hydro Insight 对 50 万个颗粒的图像进行分析所得的LNCA 样品中颗粒尺寸的体积分布，显示Dv50 为 6.7 微米 

加了玻璃珠标样的样品（LNCA+G1 至 LNCA+G5）显示每50 万个颗粒中有2 至 100 个不同的玻璃颗粒，相当于每百万个颗粒中有4 至200 个颗粒的检出率。前两个样品的图像见图4。 

图4. 使用Mastersizer 3000+ 上的Hydro Insight 附件在LNCA+G1（左）和LNCA+G2（右）样品中检测到的球形玻璃颗粒，总计5000 个颗粒。

对纯LNCA样品 进行的五次重复测量结果一致（Dv10 = 3.61 微米，Dv50 = 6.69 微米，Dv90 = 11.6 微米），如图5 所示，并总结于表1中。这些测量结果还表明，除了平均粒径约为7 微米的常规颗粒外，还存在平均粒径约为1 微米的细粉。 

图5. 使用Mastersizer 3000+ 采用经典激光衍射法（未使用自适应衍射（Size Sure））对LNCA 阴极材料进行了5次测量。

表1. 对 LNCA 样品进行的5 次重复经典激光衍射测量结果汇总。 

在加有玻璃颗粒的样本中，只有LNCA+G4 和 LNCA+G5 中可检测到玻璃颗粒，其浓度超过~100ppm（图6）。浓度较低的样本未显示出玻璃颗粒峰。 

图6. 采用MS3000+ 型激光粒度仪测得的纯LNCA 及掺入玻璃颗粒的试样LNCA+G4 和 LNCA+G5 的经典激光衍射数据。在LNCA+G4 和 LNCA+G5 试样中可见玻璃颗粒峰，而在较低浓度下则不可见。 

Size Sure 保持了与经典测量方法相同的稳态结果，但独特之处在于，即使在低浓度样本中，也能揭示出大颗粒的瞬态信号。 

对纯LNCA 样品进行5 次重复测量所得的稳态和瞬态数据如图7 所示。稳态数据显示出与经典测量相似的粒度分布， 包括少量细颗粒的小峰。瞬态数据在此样品中未显示出任何其他特征。这些测量结果总结于表2 中。 

图7. 使用配备Size Sure 自适应激光衍射技术的Mastersizer 3000+ 测量的LNCA 样品，分别展示了稳态（左）和瞬态（右）的结果。

表2.对LNCA 样品进行5 次重复自适应衍射测量的总结，采用的是Size Sure 自适应激光衍射法。 

在添加了玻璃颗粒的样品中，稳态数据仅在LNCA + G4 和 LNCA + G5 样品中显示出玻璃颗粒峰（图8），这与灵敏度为~100 PPM 的经典激光衍射数据一致。 

图8. 采用Mastersizer 3000+ 上的Size Sure 自适应激光衍射法对纯LNCA 和加标样品测得的稳态数据。在稳态数据中，玻璃颗粒峰仅在LNCA+G4 和 LNCA+G5 样品中可见。在较低浓度下，此峰不可见。 

然而，瞬态状态数据表明，在LNCA + G2 和 LNCA + G3 样品中也出现了玻璃颗粒峰值（图9），但其玻璃颗粒浓度要低得多，低至~10ppm。 

图9. 使用Mastersizer 3000+ 上的Size Sure 自适应激光衍射法测量的纯LNCA 和添加玻璃颗粒的样品的瞬态数据。在瞬态数据中，除了LNCA + G1 外，纯LNCA 和添加玻璃颗粒的LNCA + G2、LNCA + G3、LNCA + G4 以及LNCA + G5 样品中均可见玻璃颗粒峰。只有纯LNCA 和 LNCA + G1 样品未出现对应玻璃颗粒的峰。 

表3 总结了所有测量结果与检测玻璃污染物颗粒灵敏度的关系。虽然经典衍射能够检测到100ppm及以上，但Size Sure 自适应衍射能够检测到低至10ppm 的颗粒。Hydro Insight 原则上能够检测到低至1ppm 的颗粒，不过测量时间会更长。 

表3. 动态成像（Hydro Insight）、经典激光衍射和动态激光衍射（Size Sure）对低含量大颗粒污染物检测灵敏度的总结