CN110108698A - 一种锂离子电池正极材料的性能判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，涉及锂电池正极材料领域，该方法包括如下步骤：取锂离子电池正极材料，将其制作成电池，并进行充放电循环，待充放电循环完成后，测得其容量保持率，接着再取出电池的极片，并对极片上的金属溶出物进行检测，便可测得金属溶出物中各金属成分的含量，然后根据此测定结果，并结合电池在充放电循环完成后的容量保持率一起进行分析，即可判断锂离子电池正极材料的性能。本发明采用的方法简单、高效、精确，能够准确的检测出电池在进行充放电循环后其金属溶出物的量，结果误差小、准确率高，以此给准确判断锂离子电池正极材料的性能提供了有力依据。

Description

一种锂离子电池正极材料的性能判断方法

技术领域

本发明涉及锂电池正极材料技术领域，尤其是一种判断锂离子电池正极材料性能好坏的方法。

背景技术

目前，随着环保要求的提高以及新能源的发展，电动汽车等项目得到大力推广与应用，而在这个过程中对电池的性能要求也越来越高，为了满足汽车续航里程、电池能量密度的需求，正极材料正得到广泛的关注，特别是三元正极材料，各大材料厂家也都在努力进一步提升三元正极材料的性能。此外，现在已经市场化的锂离子电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等产品。

锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等构成，正极材料作为锂离子电池四大关键主材之一，其在锂离子电池的总成本中占据40％以上的比例，并且正极材料成本直接决定电池成本高低，正极材料的性能直接影响了锂离子电池的各项性能指标，所以正极材料在锂离子电池中占据核心地位。

正极材料在被生产出来后会有一定金属元素的溶出，在被制作成锂离子电池进行使用后，在电池的充放电过程中也会伴随着金属元素的溶出。比如，就镍钴锰三元正极材料而言，将其制作成锂离子电池后，Ni、Co、Mn金属元素就会伴随着电池充放电而同时进行溶出，在电池的充放电过程中，三元正极材料中的Ni、Co、Mn会溶出在正极材料表面，如果Ni、Co、Mn元素溶出过多，就会影响电池的容量、循环和自放电等性能。

因此，可知，对于生产出的正极材料，如果要准确判断该正极材料制成锂离子电池后该电池在接下来使用过程中性能的好坏情况，就需要先对该正极材料进行性能测试，最后以此测试结果为判断依据；而正极材料的性能好坏则又可以通过测定正极材料表面的金属溶出物为判定指标。

目前，现有技术中有通过金属溶出检测来判断正极材料性能如何的情况，即通过测定金属溶出物的多少来判断正极材料的性能好坏，可知的主要是传统的钴溶出检测方法，该方法是取钴酸锂正极材料，并使正极材料为粉末状，然后使用电解液进行浸润，再经过高温、静置等一系列条件后，最后测试待测液体中溶出的离子态金属含量。该方法测试出的结果误差较大，同时此测试结果也不能成为准确判断正极材料制成锂离子电池后该电池在以后使用过程中其具体性能情况如何的指标或依据。

发明内容

本发明为了能够准确的判定正极材料在制作成锂离子电池后在接下来使用过程中该电池性能的好坏程度，提供了一种锂离子电池正极材料的性能判断方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，包括如下步骤：取锂离子电池正极材料，将其制作成电池，并对电池进行充放电循环，待充放电循环完成后，测得其容量保持率，接着再对电池进行拆解，取出其极片，并对极片上的金属溶出物进行检测，便可测得金属溶出物中各金属成分的含量，然后根据此测定结果，并结合电池在充放电循环完成后的容量保持率一起进行分析，即可判断锂离子电池正极材料的性能。

进一步地，所述对极片上的金属溶出物进行检测的方法，具体包括如下步骤：

(a)使用电解液对极片进行浸润，并对整个浸润过程进行超声，超声后取出极片，即得浸润液，接着使用滤纸将浸润液过滤至容器中，之后又通过微孔滤膜过滤器对容器中的溶液进行再次过滤，即得过滤液；

(b)对过滤液进行加热，直至溶液完全蒸干，接着往蒸干后剩余的固体物中加入酸对其进行酸浸，并同时煮沸，待冷却后，将得到的溶液进行定容，即得待测液，最后使用检测设备检测待测液中的金属成分，即可获得测定结果。

本发明的目的在于能够准确的判断正极材料制作成锂离子电池后在后续使用过程中该电池会有怎样的性能状况，为实现这个目的，本发明便对正极材料的性能进行测试，最后以正极材料的性能测试情况来表示锂离子电池在接下来使用中的性能好坏，这是因为正极材料在锂电池中占据核心地位，正极材料的性能直接影响锂电池的各项性能指标；并且，因生产出的正极材料会发生一定金属元素的溶出，同时正极材料制成电池后，金属元素的溶出也是伴随着电池充放电同时进行的，金属元素会溶出在正极材料表面，而金属元素的溶出会影响相关性能，所以本发明中旨在基于测试正极材料中金属溶出量来彰显正极材料的性能情况。

对于本发明，首先取生产出的锂电池正极材料，将正极材料制作成电池，并让电池进行一定的充放电循环，循环结束后电池具有相应的容量保持率，同时取出电池的极片，使用电解液对极片进行浸润，此处电解液的作用是为了让极片上的金属溶出物完全溶解于电解液中，而浸润过程进行超声也是为了能够促进金属溶出物更好的溶解于电解液，保证金属溶出物完全溶解，提高最终测试准确率；之后浸润液先经滤纸过滤，又经微孔滤膜过滤器，进行两重过滤，这样能尽可能的去除溶液中的杂质，排除检测时杂质的干扰，提升检测精确度；接着对经过滤后得到的过滤液进行加热蒸干，其目的在于除去电解液，让电解液物质挥发，从而实现与金属溶出物的分离，而蒸干后剩余的固体物中金属物质是以金属氧化物的形式存在的，所以加入酸对固体物进行酸浸后，能实现金属物质在溶液中以离子态的形式存在，再将酸浸液加热煮沸，可以加强酸浸效果，保证金属氧化物与酸反应完全；这之后将溶液定容，可得待测液，最后使用检测设备对待测液中的金属成分进行测定，便可获得相关的测定结果。

现有技术中采用的金属溶出检测方法，其目的也是用于测试正极材料的性能，同时与本发明一样，现有技术也是基于测试正极材料中金属溶出量多少来彰显正极材料的性能情况，但是虽然如此，本发明与现有技术为测试正极材料中金属溶出量所采用的方式是不同的，最后所取得的效果也是不同的。

现有技术的金属溶出检测方法，是先取制得的锂离子电池正极材料粉末，之后直接使用电解液对正极材料粉末进行浸润，再经高温、静置等，最后测试待测液中的离子态金属含量，并仅以此单一的金属溶出量结果来分析评判正极材料性能；可以从中直观的了解到，现有技术最终要测得的金属溶出量直接是该制得的锂离子电池正极材料中的金属溶出量，通过此测试结果，其直接表征出的是该用于测试的正极材料原料在检测这个时刻的性能情况，所以此测试结果不能成为准确判断该正极材料原料在制作成锂离子电池后该锂离子电池在未来使用过程中其具体性能表现的指标或依据；此外，该金属溶出检测过程相对而言处理比较粗糙，不够精细，这会导致结果误差较大，无法精确的测出金属溶出量，从而影响判断。

而对于本发明采用的金属溶出检测方法，其是先将制备的锂离子电池正极材料制作成电池，并对电池进行一定的充放电循环，且可知循环后电池所拥有的相应容量保持率，其次循环后的电池经拆解取出极片，接着检测极片上的金属溶出物，测得各金属成分的含量，最后结合电池的容量保持率与相应的金属溶出量二者来共同分析评判该锂离子电池正极材料原料的性能；可见，本发明最终测得的金属溶出量不是该所用锂离子电池正极材料原料中的金属溶出量，这里区别于上述现有技术，本发明最终测得的金属溶出量是将该锂离子电池正极材料原料制成电池并再经一定充放电循环后该电池内的金属溶出量，根据此测定结果，不仅可以从侧面反映出该锂离子电池正极材料在制作成电池前的性能情况，而且更为重要的是能够直接准确反映出该锂离子电池正极材料在未来使用过程中的性能好坏，即也准确反映了该正极材料在制作成锂离子电池后此电池在接下来的使用过程中会有怎样的性能表现；并且本发明是结合了电池的容量保持率和相应的金属溶出量二者一起来判定正极材料或者说电池的性能状况，采取这种做法可以使对性能的判断更加形象、具体以及准确，从而更好地实现准确判断最后制成的锂离子电池在后续使用过程中具体性能表现的目的；此外，本发明对极片上金属溶出物的检测方法，也与现有技术有所区别，本发明使用电解液浸润后，还经过超声、滤纸过滤、微孔滤膜过滤器过滤，之后又经加热蒸干、加酸酸浸并定容等，最后检测待测液中金属成分含量；此金属溶出量的测定过程体现出超高的精确性，保证了结果的准确度，使测定结果误差小，从而直接为准确判断正极材料的性能提供了有力的依据、夯实了基础。

步骤(a)中在使用滤纸将浸润液过滤至容器后，再使用电解液冲洗滤纸，所得冲洗液一同装入容器中。使用电解液冲洗滤纸，可以将残留在滤纸上的金属溶出物冲洗入容器中，这样可以进一步提高最终测定结果的精确度，减小结果误差，以实现准确判断电池性能的目的。

步骤(a)中在得到过滤液后，再使用电解液冲洗容器，所得冲洗液通过微孔滤膜过滤器进行处理后加入过滤液中。使用电解液冲洗容器，目的同样是为了对残留在容器内部的金属溶出物进行冲洗，好让容器内壁上的金属溶出物进入过滤液，以提高测定结果准确性，减少误差。

优选地，步骤(a)中所述电解液为碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯中的一种或两种以上混合。

优选地，步骤(a)中进行超声所使用的设备为超声波清洗机。

优选地，步骤(b)中过滤液加热蒸干所使用的容器为铂金坩埚。

优选地，步骤(b)中所述酸为盐酸(1+1)优级纯。

优选地，步骤(b)中定容所采用的仪器为比色管、容量瓶中的一种。

优选地，步骤(b)中所述检测设备为光谱仪。

本发明的有益效果是：本发明采用的方法简单、高效、精确，将制得的锂离子电池正极材料制成电池进行处理后，能够准确的检测出电池在进行充放电循环后的相应容量保持率下其正极材料中金属溶出物的量，结果误差小、准确率高，以此为形象、具体以及准确的判断所用锂离子电池正极材料的性能提供了有力的依据，从而能够更好地推断出此类正极材料在制作成锂离子电池以后在接下来使用过程中该电池性能的好坏情况。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，包括如下步骤：

(a)取某锂离子电池三元正极材料10g，将其制作成扣式电池，并按照金属溶出充放电制度对扣式电池进行充放电循环，循环100次后，测得该扣式电池的容量保持率为90％，之后再对该扣式电池进行拆解，取出其极片；

(b)将极片置于100mL烧杯中，并往烧杯中加入10mL碳酸二甲酯对极片进行浸润，之后将烧杯置于超声波清洗机内超声10min，超声后取出极片，即得浸润液，接着使用定量滤纸将浸润液过滤至另一100mL烧杯中，并使用5mL碳酸二甲酯冲洗滤纸，所得冲洗液一同装入此100mL烧杯中，之后又使用注射器将烧杯中的溶液通过微孔滤膜过滤器过滤入50mL铂金坩埚中，并使用5mL碳酸二甲酯冲洗烧杯，所得冲洗液依然通过微孔滤膜过滤器过滤入铂金坩埚中；

(c)将铂金坩埚放在电炉上缓慢加热，直至其中的过滤液完全蒸干，接着往铂金坩埚中加入6mL盐酸(1+1)，并煮沸，待冷却后，将坩埚中的溶液定容于10mL比色管中，即得待测液，最后使用ICP(原子发射光谱仪)检测待测液中的金属成分，即可测得该扣式电池在容量保持率为90％的情况下其金属溶出物中各金属成分的含量；

(d)根据上述测定结果，并结合该扣式电池在充放电循环100次后90％的容量保持率一起进行分析，即可判断该锂离子电池正极材料的性能。

本实施例的测定结果见表1。

实施例2

一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，包括如下步骤：

(a)取某锂离子电池三元正极材料10g，将其制作成扣式电池，并按照金属溶出充放电制度对扣式电池进行充放电循环，循环100次后，测得该扣式电池的容量保持率为85％，之后再对该扣式电池进行拆解，取出其极片；

(b)将极片置于100mL烧杯中，并往烧杯中加入10mL碳酸二甲酯对极片进行浸润，之后将烧杯置于超声波清洗机内超声10min，超声后取出极片，即得浸润液，接着使用定量滤纸将浸润液过滤至另一100mL烧杯中，并使用5mL碳酸二甲酯冲洗滤纸，所得冲洗液一同装入此100mL烧杯中，之后又使用注射器将烧杯中的溶液通过微孔滤膜过滤器过滤入50mL铂金坩埚中，并使用5mL碳酸二甲酯冲洗烧杯，所得冲洗液依然通过微孔滤膜过滤器过滤入铂金坩埚中；

(c)将铂金坩埚放在电炉上缓慢加热，直至其中的过滤液完全蒸干，接着往铂金坩埚中加入6mL盐酸(1+1)，并煮沸，待冷却后，将坩埚中的溶液定容于10mL比色管中，即得待测液，最后使用ICP(原子发射光谱仪)检测待测液中的金属成分，即可测得该扣式电池在容量保持率为85％的情况下其金属溶出物中各金属成分的含量；

(d)根据上述测定结果，并结合该扣式电池在充放电循环100次后85％的容量保持率一起进行分析，即可判断该锂离子电池正极材料的性能。

本实施例的测定结果见表1。

实施例3

一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，包括如下步骤：

(a)取某锂离子电池三元正极材料10g，将其制作成扣式电池，并按照金属溶出充放电制度对扣式电池进行充放电循环，循环100次后，测得该扣式电池的容量保持率为80％，之后再对该扣式电池进行拆解，取出其极片；

(b)将极片置于100mL烧杯中，并往烧杯中加入10mL碳酸二甲酯对极片进行浸润，之后将烧杯置于超声波清洗机内超声10min，超声后取出极片，即得浸润液，接着使用定量滤纸将浸润液过滤至另一100mL烧杯中，并使用5mL碳酸二甲酯冲洗滤纸，所得冲洗液一同装入此100mL烧杯中，之后又使用注射器将烧杯中的溶液通过微孔滤膜过滤器过滤入50mL铂金坩埚中，并使用5mL碳酸二甲酯冲洗烧杯，所得冲洗液依然通过微孔滤膜过滤器过滤入铂金坩埚中；

(c)将铂金坩埚放在电炉上缓慢加热，直至其中的过滤液完全蒸干，接着往铂金坩埚中加入6mL盐酸(1+1)，并煮沸，待冷却后，将坩埚中的溶液定容于10mL比色管中，即得待测液，最后使用ICP(原子发射光谱仪)检测待测液中的金属成分，即可测得该扣式电池在容量保持率为80％的情况下其金属溶出物中各金属成分的含量；

(d)根据上述测定结果，并结合该扣式电池在充放电循环100次后80％的容量保持率一起进行分析，即可判断该锂离子电池正极材料的性能。

本实施例的测定结果见表1。

对比例

采用现有传统的锂离子电池金属溶出检测方法，即分别取三种不同的锂离子电池三元正极材料样品10g，并使三元正极材料为粉末状，然后分别使用电解液进行浸润，再经过高温、静置等一系列条件后，分别定容于10mL比色管中，即得待测液，最后使用ICP(原子发射光谱仪)检测待测液中的金属成分，所得测定结果见表2。

表1不同扣式电池相应容量保持率下的金属溶出量

表2对比例中三种不同三元正极材料的金属溶出量

由表1、表2可以看出，对比例传统的金属溶出测试方法不能直观的体现出正极材料在制作成锂离子电池后在未来使用过程中的金属溶出情况，并且也无相应的电池容量保持率作结合参考，从而就不能形象、具体、准确的判断出此正极材料在制作成锂离子电池后该锂离子电池在未来使用过程中的性能好坏情况；而本发明准确的测得了扣式电池经充放电循环后的金属溶出量，并且还测得经充放电循环后的扣式电池容量保持率，如表1所示，可知容量保持率高的电池的Ni、Co、Mn溶出量要明显低于容量保持率低的电池，因而两者结合便可以更好、更直观的判断锂离子电池正极材料原料在未来使用中的性能，从而实现更加准确判断该正极材料原料在制作成锂离子电池后该电池在接下来使用过程中具体性能表现的目的。

Claims (10)

1.一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：包括如下步骤：取锂离子电池正极材料，将其制作成电池，并对电池进行充放电循环，待充放电循环完成后，测得其容量保持率，接着再对电池进行拆解，取出其极片，并对极片上的金属溶出物进行检测，便可测得金属溶出物中各金属成分的含量，然后根据此测定结果，并结合电池在充放电循环完成后的容量保持率一起进行分析，即可判断锂离子电池正极材料的性能。

2.如权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：所述对极片上的金属溶出物进行检测的方法，具体包括如下步骤：

(a)使用电解液对极片进行浸润，并对整个浸润过程进行超声，超声后取出极片，即得浸润液，接着使用滤纸将浸润液过滤至容器中，之后又通过微孔滤膜过滤器对容器中的溶液进行再次过滤，即得过滤液；

(b)对过滤液进行加热，直至溶液完全蒸干，接着往蒸干后剩余的固体物中加入酸对其进行酸浸，并同时煮沸，待冷却后，将得到的溶液进行定容，即得待测液，最后使用检测设备检测待测液中的金属成分，即可获得测定结果。

3.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：步骤(a)中在使用滤纸将浸润液过滤至容器后，再使用电解液冲洗滤纸，所得冲洗液一同装入容器中。

4.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：步骤(a)中在得到过滤液后，再使用电解液冲洗容器，所得冲洗液通过微孔滤膜过滤器进行处理后加入过滤液中。

5.如权利要求2、3或4所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：所述电解液为碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯中的一种或两种以上混合。

6.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：步骤(a)中进行超声所使用的设备为超声波清洗机。

7.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：步骤(b)中过滤液加热蒸干所使用的容器为铂金坩埚。

8.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：步骤(b)中所述酸为盐酸(1+1)优级纯。

9.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：步骤(b)中定容所采用的仪器为比色管、容量瓶中的一种。

10.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料的性能判断方法，其特征是：所述检测设备为光谱仪。