CN114993799A - 一种快速评测多晶材料颗粒强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速评测多晶材料颗粒强度的方法,包括以下步骤:S1.取多晶材料的粉末样品装到模具中,将模具放到粉末电阻及压实密度仪中;S2.操作粉末电阻及压实密度仪进行n次加压测试,每次测试在保压时间t后测定压实密度ρi和电导率Ki;S3.从i=2起开始计算每次测试的压实密度变化率Si;S4.计算每次测试的破碎因子yi,将yi中最小值所对应的施加压强记为F,若F满足步骤S3的破碎压强范围,则确定F为粉末样品的极限抗压强度。本发明采用F是否满足破碎压强范围来进行验证,二者结合保证了结果的准确性,具有能够快速的判断不同材料的颗粒强度,无需粒子强度仪,也不需要制作成极片后再判断不同材料的颗粒强度。

Description

一种快速评测多晶材料颗粒强度的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池,具体地指一种快速评测正极多晶材料颗粒强度的方法。
背景技术
目前锂离子电池正极多晶材料颗粒强度测试方法是使用粒子强度仪,或者在一定压力下制作成极片,观察极片是否掉粉、容易折断等问题或者通过SEM观察颗粒情况来判断颗粒的一个耐压能力。
在材料端是使用粒子强度仪对其颗粒强度以及耐压程度进行测试,但由于是对单个颗粒进行测试,并不能判断材料整体的性能;而且对不同材料测试敏感度不强,不能准确分辨出不同材料的差距。在电芯端只能在一定压力下制成极片后观察极片是否掉粉、容易折断等问题或者通过SEM观察颗粒情况来判断颗粒的一个耐压能力,这样不仅步骤繁琐,还会造成资源的浪费。
因此,需要开发出一种无需制作极片即可快速评测多晶材料颗粒强度的方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足,提供一种无需制作极片即可快速评测多晶材料颗粒强度的方法。
本发明的技术方案为:一种快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.取多晶材料的粉末样品装到模具中,将模具放到粉末电阻及压实密度仪中;
S2.操作粉末电阻及压实密度仪进行n次加压测试,n为≥10的正整数,施加压强Pi从预设下限Pmin开始逐次增加预设步进值Pt,直到第n次测试到达预设上限Pmax,每次测试在保压时间t后测定压实密度ρi和电导率Ki,i=1,2,3,…,n,i为正整数;
S3.从i=2起开始计算每次测试的压实密度变化率Si
Si=(ρii-1)/ρi-1
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3
根据Pi以及对应的Si拟合得到施加压强-压实密度变化率曲线,根据施加压强-压实密度变化率曲线得到粉末样品的破碎压强范围;
S4.从i=1起开始计算每次测试的破碎因子yi
yi=ln(Pi*Ki)+ρi 2/2,
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3,Ki=电导率,单位为Ω*cm,
Pi=施加压强,单位为MPa,
将yi中最小值所对应的施加压强Pi记为F,若F满足步骤S3的破碎压强范围,则确定F为粉末样品的极限抗压强度。
优选的,步骤S3中根据施加压强-压实密度变化率曲线得到粉末样品破碎的压强范围,包括以下操作:
确定曲线上随施加压强增大Si下降出现的第一个极值点,在所有Pi数据中找到紧邻且≤极值点对应施加压强的数据记为Q,确定区间[Q,Q+Pt]为破碎压强范围。
优选的,步骤S1中,粉末样品取1-3g。
优选的,步骤S2中,Pmin=0-20Mpa,Pmax=100-300Mpa。
进一步的,Pmin=10Mpa,Pmax=200Mpa。
优选的,步骤S2中,Pt=1-20Mpa。
进一步的,Pt=10Mpa。
优选的,步骤S2中,保压时间t=5-60s。
进一步的,t=15s
优选的,步骤S2中,n=10-30。
本发明中,多晶材料的化学式为LiNixCoyMn(1-x-y)O2,其中0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1。
本发明的有益效果为:
1.采用压强-压实密度变化率曲线来得到破碎压强范围的原理为:在材料达到极限抗压强度之前,随着压强的上升,材料的压实密度越大,压强-压实密度变化率曲线的斜率也越大,意味着压实密度变化率越来越小。达到极限抗压强度时,也是材料颗粒未发生破碎最大的压实密度,也就是压强-压实密度变化率曲线第一个极值点。当压强大于极限抗压强度后,部分颗粒发生破碎,破碎的颗粒可以填充到原先颗粒之间的缝隙中,也由于颗粒破碎释放出一定的空间,使得压实密度能进一步增大,压实密度变化率也随之变大,所以在极限抗压强度的压强处出现极小值。该方法具有以下优点:形象直观判断极限抗压强度压强的范围;根据第一个极小值点快速对比多种材料的极限抗压强度。
2.通过破碎因子yi最小值确定极限抗压强度F的原理为:随着压强的变化,材料的压实密度、电导率也随之发生变化,三者具有一定的关联性。正极材料是靠颗粒接触形成通路来传递电子,在材料未发生破碎且达到最密堆积密度时,也就是材料极限抗压强度时最小的电导率;当压强进一步增大,材料发生破碎,破碎的颗粒填充到未破碎颗粒之间的空隙中,增大了材料之间的接触面积,使材料有更宽大的通道进行电子传输,所以材料的电导率和压强具有一定的关系。在材料达到极限抗压强度之前,随着压强的上升,材料的压实密度越大。达到极限抗压强度时,也是材料颗粒未发生破碎最大的压实密度。当压强大于极限抗压强度后,部分颗粒发生破碎,破碎的颗粒可以填充到原先颗粒之间的缝隙中,也由于颗粒破碎释放出一定的空间,使得压实密度能进一步增大。压强影响着材料的电导率以及压实密度,根据压强、压实密度和电导率关系,通过公式计算得到破碎因子,可以确定材料的极限抗压强度。该方法具有以下优点:通过计算材料的破碎因子准确确定材料的极限抗压强度;在计算公式中加入电导率,可减少利用压强-压实密度变化率曲线得到极限抗压强度的误差。
3.本发明采用F是否满足破碎压强范围来进行验证,二者结合保证了结果的准确性,具有能够快速的判断不同材料的颗粒强度,不需要使用精密昂贵的粒子强度仪,也不需要制作成极片后再判断不同材料的颗粒强度。
附图说明
图1为材料A和材料B中施加压强-压实密度变化率曲线
图2为施加压强50Mpa下材料A的SEM图
图3为施加压强60Mpa下材料A的SEM图
图4为施加压强40Mpa下材料B的SEM图
图5为施加压强50Mpa下材料B的SEM图
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本发明提供一种快速评测多晶材料颗粒强度的方法,包括以下步骤:
S1.取2g多晶材料(记作材料A)的粉末样品装到模具中,多晶材料的化学式为LiNixCoyMn(1-x-y)O2,其中0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1(本实施例中x=0.9,y=0.05),将模具放到粉末电阻及压实密度仪中;
S2.操作粉末电阻及压实密度仪进行n=20次加压测试,施加压强Pi从预设下限Pmin=10MPa开始逐次增加预设步进值Pt=10MPa至预设上限Pmax=200MPa(即P1=Pmin=10MPa,P20=Pmax=200MPa),每次测试在持续保压时间15s后测定压实密度ρi和电导率Ki,i=1,2,3,…,20,i为正整数,Pi、ρi、Ki数据如表1所示;
S3.从i=2起开始计算每次测试的压实密度变化率Si
Si=(ρii-1)/ρi-1
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3
Si数据如表1所示,根据Pi以及对应的Si拟合得到施加压强-压实密度变化率曲线,如图1所示,根据施加压强-压实密度变化率曲线得到粉末样品的破碎压强范围,
具体为:确定曲线上随施加压强增大Si下降出现的第一个极小值点,在所有Pi数据中找到紧邻且≤第一个极小值点在曲线上对应施加压强的数据记为Q,确定区间[Q,Q+Pt]为破碎压强范围,本实施例中Q=50MPa,破碎压强范围为[50,60]。
S4.从i=1起开始计算每次加压测试的破碎因子yi
yi=ln(Pi*Ki)+ρi 2/2,
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3,Ki=电导率,单位为Ω*cm,
Pi=施加压强,单位为MPa,
yi数据如表1所示,将yi中最小值所对应的施加压强Pi记为F,本实施例中yi中最小值=12.391,F=50MPa,F满足步骤S3的破碎压强范围,则确定F为粉末样品的极限抗压强度。
材料A在施加压强50Mpa时形貌如图2所示,材料A在施加压强60Mpa时形貌如图3所示,结合图2-3可以看出材料A在施加压强50Mpa下二次球颗粒完整,表面没有出现裂纹,表明在此压强下材料未发生破碎;在施加压强60Mpa下可以看出部分二次球颗粒发生破碎,未破碎二次球表面也出现裂纹,说明材料的极限抗压强度为50Mpa,在50-60Mpa某个压强下材料发生破碎。从而证明本发明的方案具有快捷、方便、低投入、精准度可控的优良效果,若想精准提高材料极限抗压强度,可下调压强步进值Pt
表1材料A测试数据
Figure BDA0003669308870000061
实施例2
本发明提供一种快速评测多晶材料颗粒强度的方法,包括以下步骤:
S1.取2g多晶材料(记为材料B)的粉末样品装到模具中,多晶材料的化学式为LiNixCoyMn(1-x-y)O2,其中0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1(本实施例中x=0.83,y=0.12),将模具放到粉末电阻及压实密度仪中;
S2.操作粉末电阻及压实密度仪进行n=20次加压测试,施加压强Pi从预设下限Pmin=10MPa开始逐次增加预设步进值Pt=10MPa至预设上限Pmax=200MPa(即P1=Pmin=10MPa,P20=Pmax=200MPa),每次测试在持续保压时间15s后测定压实密度ρi和电导率Ki,i=1,2,3,…,20,i为正整数,Pi、ρi、Ki数据如表2所示;
S3.从i=2起开始计算每次测试的压实密度变化率Si
Si=(ρii-1)/ρi-1
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3
Si数据如表2所示,根据Pi以及对应的Si拟合得到材料B的施加压强-压实密度变化率曲线,如图1所示,根据施加压强-压实密度变化率曲线得到粉末样品的破碎压强范围,
具体为:确定曲线上随施加压强增大Si下降出现的第一个极小值点,在所有Pi数据中找到紧邻且≤第一个极小值点在曲线上对应施加压强的数据记为Q,确定区间[Q,Q+Pt]为破碎压强范围,本实施例中Q=40MPa,破碎压强范围为[40,50]。
S4.从i=1起开始计算每次加压测试的破碎因子yi
yi=ln(Pi*Ki)+ρi 2/2,
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3,Ki=电导率,单位为Ω*cm,
Pi=施加压强,单位为MPa,
yi数据如表2所示,将yi中最小值所对应的施加压强Pi记为F,本实施例中yi中最小值=11.306,F=40MPa,F满足步骤S3的破碎压强范围,则确定F为粉末样品的极限抗压强度。
材料A在施加压强40Mpa时形貌如图4所示,材料B在施加压强50Mpa时形貌如图5所示,结合图4-5可以看出材料B在施加压强40Mpa下二次球颗粒完整,表面没有出现裂纹,表明在此压强下材料未发生破碎;在施加压强50Mpa下可以看出部分二次球颗粒发生破碎,未破碎二次球表面也出现裂纹,说明材料的极限抗压强度为40Mpa,在40-50Mpa某个压强下材料发生破碎。从而证明本发明的方案具有快捷、方便、低投入、精准度可控的优良效果,若想精准提高材料极限抗压强度,可下调压强步进值。
表2材料B测试数据
Figure BDA0003669308870000081

Claims (10)

1.一种快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.取多晶材料的粉末样品装到模具中,将模具放到粉末电阻及压实密度仪中;
S2.操作粉末电阻及压实密度仪进行n次加压测试,n为≥10的正整数,施加压强Pi从预设下限Pmin开始逐次增加预设步进值Pt,直到第n次测试到达预设上限Pmax,每次测试在保压时间t后测定压实密度ρi和电导率Ki,i=1,2,3,…,n,i为正整数;
S3.从i=2起开始计算每次测试的压实密度变化率Si
Si=(ρii-1)/ρi-1
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3
根据Pi以及对应的Si拟合得到施加压强-压实密度变化率曲线,根据施加压强-压实密度变化率曲线得到粉末样品的破碎压强范围;
S4.从i=1起开始计算每次测试的破碎因子yi
yi=ln(Pi*Ki)+ρi 2/2,
其中,ρi=压实密度,单位为g/cm3,Ki=电导率,单位为Ω*cm,Pi=施加压强,单位为MPa,
将yi中最小值所对应的施加压强记为F,若F满足步骤S3的破碎压强范围,则确定F为粉末样品的极限抗压强度。
2.如权利要求1所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,步骤S3中根据施加压强-压实密度变化率曲线得到粉末样品破碎的压强范围,包括以下操作:
确定曲线上随施加压强增大Si下降出现的第一个极值点,在所有Pi数据中找到紧邻且≤极值点对应施加压强的数据记为Q,确定区间[Q,Q+Pt]为破碎压强范围。
3.如权利要求1所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,步骤S1中,粉末样品取1-3g。
4.如权利要求1所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,步骤S2中,Pmin=0-20Mpa,Pmax=100-300Mpa。
5.如权利要求4所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,Pmin=10Mpa,Pmax=200Mpa。
6.如权利要求1所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,步骤S2中,Pt=1-20Mpa。
7.如权利要求6所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,Pt=10Mpa。
8.如权利要求1所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,步骤S2中,保压时间t=5-60s。
9.如权利要求8所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,t=15s。
10.如权利要求1所述的快速评测多晶材料颗粒强度的方法,其特征在于,步骤S2中,n=10-30。
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