《储能材料与器件分析测试技术》课件-项目八 物理性能测试

1.粒度分布测试与分析设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试原理Mastersizer3000激光粒度仪-光电检测原理使用光电二极管检测散射光光强信号光电二极管是二极管的一种，工作在反向偏压状态。利用光电效应，光子冲击二极管激发出电子和带正电的空穴，从而产生光电流。有光照时，在光子辐射下，P/N区载流子（电子和空穴）浓度均大大增加，在反向偏压和内电场作用下，穿过势垒区，形成光电流，且入射光子越多，光电流越大，即光电流与光强成正比关系。因此，通过测量此时电流大小可得到该角度检测器上的光强大小。设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试原理粒度仪-光电检测原理激光光源样品颗粒傅立叶透镜散射光检测阵列：上面分布了若干光电检测器，每个检测器按散射角度由小到大的顺序排列。（检测器编号越大，散射角越大）

入射光光强检测遮光度检测器设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试原理Mastersizer3000光路:红光测量对于大颗粒测量，MS3000使用波长为633纳米的红光提高检测信号强度。样品池焦平面检测器侧向检测器背向检测器633nm红光激光折叠光路设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试原理Mastersizer3000散射光数据-大粒径样品粒径越大，散射角越小，对应编号越小的检测器设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试原理Mastersizer3000光路:蓝光测量对于小颗粒测量，MS3000使用波长为470纳米的蓝光提高检测信号强度。470nm蓝光光源侧向检测器样品池背向检测器设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试原理Mastersizer3000散射光数据-小粒径样品粒径越小，散射角越大，对应编号越大的检测器设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试参数仪器配置仪器主体型号Malvern,MasterSize2000进样系统Hydro2000MU(A)量程0.02um-2000um光源红光:氦氖激光，蓝光:固态光源检测角/检测器数量0-135°/42测试原理米氏散射理论样品准备<1g样品+40ml水,1滴40%分散剂前处理条件分散剂X-3204（稀释浓度为40%)分散溶剂水分散方法添加分散剂，外超声30s外超声时间30s外超声强度40kHz60W进样操作滴管吸取加入设备认知马尔文激光粒度仪3000-测试参数测试条件样品折射率2.60样品吸收率1溶剂折射率水/1.330颗粒和分散溶剂合计量约800mL测试循环3次样品测试时间5s背景测试时间5s测试过程中是否开超声以及超声强度是（位移设置10)搅拌器/泵的转速2000转/分钟遮光度10-15%到达遮光度后是否超声是内置超声强度10超声时间超声lmin后点击开始测量，测试过程维持超声测试与分析马尔文激光粒度仪3000-测试流程擦拭镜片：无尘纸沾用少许酒精往同一方向擦拭开机预热30min，打开软件联机设置参数：点击测试窗口“手动测试”弹出测试参数，设置测试相关参数，输入样品名称，保存。分散溶剂为蒸馏水时对应物质与折射率设置为蒸馏水1.33，LFP为2.6。设置参数：搅拌超声2000r/min，超声强度30%加入分散溶剂约900mL对光测试与分析马尔文激光粒度仪3000-测试流程样品预处理：取小半勺样品于40～50mL分散溶剂的100mL烧杯中，加入一滴分散剂，外超声20s。加入样品，内超声：样品加入量为遮光强度达到8%～12%，开启内超声1min，点击“测量样品”。测试完成，点击测试窗口“清洁系统”按清洁要求提示完成3次清洁冲洗，关闭软件，关闭电源。注意事项擦拭镜片往同一个方向，擦拭用力要轻；加样过程中应避免气泡的产生

2.粒度分布测试实训粒度分布测试实训开机预热30min，打开软件联机。01注意事项：擦拭镜片往同一个方向，擦拭用力要轻。粒度分布测试实训

打开“手动测试”，排空水，清洗镜片，用无尘纸沾用少许酒精往同一方向擦拭。02注意事项：测试背景时，要求激光强度≥75%。粒度分布测试实训点击测试窗口“手动测量”弹出测试参数，设置测试相关参数，输入样品名称，保存。材料名称NCN，折射率设置为2.6，分散剂设置为水1.33，设置完毕，点击确认。点击“初始化仪器”，初始化已完成，点击测量背景。03.设置参数粒度分布测试实训取小半勺样品于100mL烧杯中，加入20~30mL纯水，加入3滴分散剂，外超声20s。4.样品预处理：粒度分布测试实训内超声：样品加入量为遮光强度达到12%~14%，开启内超声1min，点击“测量样品”。05.加入样品粒度分布测试实训

测试完成，记录数据。缓慢抬起分散头，将测试液导入废液桶。06粒度分布测试实训07IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII点击测试窗口“清洁系统”按清洁要求提示完成3次清洁冲洗，关闭软件，关闭电源。3.比表面积测试原理认知01比表面积定义02孔的定义与分类03吸附理论01比表面积定义一、比表面积定义单位质量物质的总表面积（m2/g），是超细粉体材料特别是纳米材料最重要的物性之一。比表面积化工行业催化剂比表面积和孔径是衡量催化剂性能好坏的重要指标建筑行业水泥水泥的粘结性能（水化速率、早期强度等）与比表面积密切相关电池行业储能型电池储能材料的比表面积影响电池的性能橡胶行业白炭黑比表面积衡量炭黑补强剂性能的好坏比表面积测定在行业中的应用一、比表面积定义（一）比表面积对电池性能的影响比表面积的大小直接影响到材料的电化学反应活性和离子传输速率。较大的比表面积可以提供更多的反应活性位点，增加正极材料与电解液中锂离子的接触面积，从而提高电化学反应速率，电池的放电容量、循环稳定性和倍率性能较好。一、比表面积定义（一）比表面积对电池性能的影响比表面积过大导致电解液的过度消耗，反应生成的电解质膜堵塞微孔，使电池内阻增加，降低库仑效率，影响电池的寿命和循环性能。相反越小，电化学反应活性少，导致电池容量降低，循环寿命变差等问题。一、比表面积定义（二）孔径及孔径分布对电池性能的影响IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII对于正负极材料，微孔和介孔越多，离子的迁移速率就会越快，相应的电化学性能就会越好。02孔的定义与分类二、孔的定义与分类孔的定义----ISO15901固体表面由于多种原因总是凹凸不平的，凹坑深度大于凹坑直径就成为孔。不同的孔（微孔、介孔和大孔）可视作固体内的孔、通道或空腔，或者是形成床层、压制体以及团聚体的固体颗粒间的空间（如裂缝或空隙）。分子能从外部进入的孔叫做开孔（openpore），分子不能从外部进入的孔叫做闭孔（closedpore）。二、孔的定义与分类按孔形的分类按孔的大小分类微孔（micropore）<2nm 中孔（mesopore）2~50nm 大孔（macropore）＞50nm03吸附理论三、吸附理论吸附现象吸附作用指的是一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面上的过程-----物质在界面上变浓的过程。界面上的分子与相里面的分子所受的作用力不同而引起的。气－固接触面来说，由于固体表面分子受力不均衡，就产生一个剩余力场，这样就对气体分子产生吸附作用。三、吸附理论吸附的相关概念吸附剂（adsorbent）：具有吸附能力的固体物质。吸附质（adsorptive）：被吸附剂所吸附的物质，（如氮气）。吸附过程（adsorption）：固体表面上的气体浓度由于吸附而增加的过程。脱附过程（desorption）：气体在固体表面上的浓度减少的过程。吸附平衡（adsorptionequilibrium）：吸附速率与脱附速率相等时，表面上吸附的气体量维持不变。吸附量（amountadsorbate）：给定压力P下的吸附气体摩尔数。三、吸附理论吸附的相关概念单层吸附量（monolayeramount）：在吸附剂表面形成单分子层的吸附质摩尔数单层吸附容量（monolayercapacity）：单层吸附量的等效标准状态气体体积平衡吸附压力（equilibriumadsorptionpressure）：吸附物质与吸附质的平衡压力。相对压力（relativepressure）：平衡压力P与饱和蒸气压P0的比值。吸附等温线（adsorptionisotherm）：恒定温度下，气体吸附量与气体平衡压力之间的关系曲线。三、吸附理论根据吸附质与吸附剂表面分子间结合力的性质，可分为物理吸附和化学吸附。01物理吸附由吸附质与吸附剂分子间引力所引起，结合力较弱，容易脱附。02化学吸附则由吸附质与吸附剂间的化学键所引起，犹如化学反应，吸附通常是不可逆，不易脱附。三、吸附理论物理吸附等温线分类吸附等温线是以压力为横坐标，恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标的曲线。通常用比压（相对压力）p/p0表示压力，p为气体的真实压力，p0为气体在测量温度下的饱和蒸汽压。三、吸附理论Langmuir吸附理论固体表面存在没有饱和的原子力场，当气体与之接触时就会被吸附在固体表面，一旦表面上覆盖满一层气体分子，这种力场就得到了饱和，吸附就不再发生，因此，吸附是单分子层的。被吸附物吸附剂Langmuir方程建立的3个假设：开放表面，均一表面定位吸附每一个吸附位只容纳一个吸附质分子三、吸附理论Langmuir方程p――吸附质蒸气吸附平衡时的压力；v――吸附量，vm――（表示单分子层饱和吸附量，该吸附过程的吸附系数，即吸附平衡的平衡常数；用p/v对p作图时是一条直线，其斜率为1/vm，截距为1/vmK，由此可以求出单分子层饱和吸附量vm。三、吸附理论BET吸附理论BET理论的吸附模型是建立在Langmuir吸附模型基础上的，同时认为物理吸附可分多层方式进行，且不等表面第一层吸满，在第一层之上发生第二层吸附，第二层上发生第三层吸附，……，吸附平衡时，各层均达到各自的吸附平衡。吸附剂BET方程建立的几个假设：与Langmuir方程相同的假设第一层的吸附热是常数，第二层以后各层的吸附热都相等并等同于凝聚热吸附是无限层三、吸附理论BET吸附等温方程式中

p0——吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压

P——氮气分压

vm——单分子层饱和吸附量

V——单位质量样品表面氮气吸附量

C——BET方程C常数注意：BET方程中p/p0的范围为：0.05～0.35只适合大多数介孔样品，当相对压力低于0.05时，不易建立多层吸附平衡；高于0.35时，容易发生毛细管凝聚作用。直线斜率m=(C-1)/vmC，在纵轴上的截距为b=1/vmC

以对作图得到一直线总结比表面积测试原理认知概念认知吸附分类吸附理论Langmuir方程BET吸附理论

4.比表面积测试与分析01认识比表面仪02全自动比表面仪TristarII3020-测试流程01认识比表面仪一、认识比表面仪全自动比表面仪TristarII3020脱气站分析站杜瓦瓶样品管02全自动比表面仪TristarII3020-测试流程二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程准备工作开机样品准备安装样品管建立样品文件开始分析关机二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程1.检查气瓶压力值0.1-0.15MPa2.确保杜瓦瓶内有足够液氮准备工作二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程样品称量操作步骤及注意事项01开启仪器电源开关、真空泵、电脑预热30min02调节气体压力：打开总阀，调节减压阀压力在0.12MPa03称量样品及脱气：称量样品管和堵头质量M1，装入约2g样品于管中，放置脱气站并套上保温夹200℃脱气120min，脱气完成取出冷却置室温，称量质量M2二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程样品称量样品称量样品管称量将样品放入样品管脱气后冷却后再次称量样品管二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程脱气处理打开通气按钮，倾斜样品管，将脱气管插入样品管中注意，脱气管不能直接插入到样品中竖直样品管，盖上橡胶塞把样品管放入到加热槽中二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程脱气处理加入保温夹设定脱气温度，脱气脱气完，放到冷却槽冷却二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程安装样品管操作步骤及注意事项04样品管装入仪器分析口05装液氮：注意液氮液位，不超过测量工具的孔为宜二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程安装样品管安装等温夹安装填充棒安装样品管样品管安装完成杜瓦瓶放到升降台二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程安装样品管06建立样品文件二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程安装样品管07样品分析和结果报告二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程安装样品管07样品分析和结果报告二、全自动比表面仪TristarII3020-测试流程安装样品管08现退出软件，关电脑09关主机，关泵，关气体注意事项不要用手触摸样品以免将油脂粘在样品表面上。如果样品管不能立刻安装在分析站上，那么可以让它继续留在脱气站上，或者取下用胶塞子堵上并塞紧，放在试管架上。分析时将玻璃舱门关上，保证安全。分析站装样品管时要套上等温夹。2总结设备认知和测试操作设备认知测试操作脱气站分析站杜瓦瓶样品管

5.表面积测试实训表面积测试实训1.取2勺比表面积质控样于样品杯中，将样品放入105℃的烘箱中烘1h。表面积测试实训2.称量样品：称量烘干后的样品，烧杯去皮，放入样品管记录空样品管的值M1，装入约2g样品于管中。表面积测试实训3.脱气处理：将称量好的样品管放置在脱气站并套上保温夹，200℃脱气120min，脱气完成取出冷却置室温，称量质量M2。表面积测试实训4.装液氮：在杜瓦瓶中加入适量液氮。注意事项：液氮液位不超过测量工具的孔为宜。表面积测试实训5.安装样品管：安装等温夹、安装填充棒、安装样品管至仪器分析口,将杜瓦瓶放到升降台，关闭测试门。表面积测试实训6.建立样品文件，填写数据，开始测量。6.循环伏安测试与分析01循环伏安法定义02循环伏安法原理03循环伏安法分析04循环伏安法测试仪器05操作程序01循环伏安法定义一、循环伏安法定义循环伏安法图谱循环伏安法(CyclicVoltammetry,CV)是一种研究电极/电解液界面上电化学反应行为的技术手段，通过循环伏安法，可以判断电极可逆性、电极反应机理及电化学实验中的定量分析。02循环伏安法原理二、循环伏安法原理循环伏安法是指在电极上施加一个线性扫描电压，以恒定的扫描速率进行扫描，当达到某设定的终止电位时，再反向回归至某一设定的起始电位。循环伏安法电位与时间的关系为（见图a）。如果前半部扫描（电压上升部分）为电活性组分在电极上被还原的阴极过程，则后半部扫描（电压下降部分）为还原产物重新被氧化的阳极过程。一次三角波扫描完成一个还原过程和氧化过程的循环，故称为循环伏安法。（a）（b）当工作电极被施加的扫描电压激发时，其上将产生响应电流。以该电流（纵坐标）对电位（横坐标）作图，称为循环伏安图(b)。二、循环伏安法原理循环伏安图中的参数阳极峰电流（ipa）；阴极峰电流（ipc）；阳极峰电位（φpa）；阴极峰电位（φpc）；03循环伏安法分析电极可逆过程的判断三、循环伏安法分析对于完全可逆电极反应而言，其循环伏安图是上下对称的两条曲线，且具有以下特点：

当峰电流与峰电位差分别满足（1）、（2）式时，可表示此电极过程是完全可逆过程。改变扫描速率，峰电位不变。电极可逆过程的判断三、循环伏安法分析A曲线为完全可逆，其上下曲线是对称的，峰电流与峰电位满足（1）、（2）两式。B曲线为部分可逆，它虽然也有还原电位峰和氧化电位峰，但是上下不对称，也不满足（1）、（2）两式。C曲线为不可逆，因为她只有一个还原峰，反方向扫描时虽然有连续的电流衰减但是没有得到氧化峰。电极过程的研究三、循环伏安法分析扩散控制扩散过程速度较慢，为整个反应的控制过程。吸附控制吸附过程较慢，为整个反应的控制过程。电极过程的研究三、循环伏安法分析峰电流与扫描速率成线性关系，说明电极过程主要受吸附控制。电极过程的研究三、循环伏安法分析峰电流与扫描速率的1/2方成线性关系，说明电极过程主要受扩散控制。

04循环伏安法测试仪器电化学工作站四、循环伏安法测试仪器电化学工作站的基本原理是通过控制工作电极和参比电极之间的电位差，并测量相应的电流响应，从而研究和分析电化学体系中的各种过程和反应。电化学工作站四、循环伏安法测试仪器电化学工作站主机作为整个系统的核心，负责控制实验过程、数据采集与处理。电源线红夹线：接辅助电极；绿夹线：接工作电极；白夹线：接参比电极；黑夹线：为地线。四、循环伏安法测试仪器电化学工作站组成参比电极(RE)对电极（辅助电极CE）工作电极(WE)电化学池（三电极系统）提供电化学反应的场所，包括工作电极、对电极和参比电极等。四、循环伏安法测试仪器电化学工作站组成电化学工作站的三电极系统由工作电极（WorkingElectrode,WE）参比电极（ReferenceElectrode,RE）对电极（CounterElectrode,CE）组成。工作电极是电化学反应发生的场所，参比电极提供稳定电位参考，对电极用于导通电流。05操作程序五、操作程序1.使用前先将电源线和电极连接：红夹线接辅助电极；绿夹线接工作电极；白夹线接参比电极。五、操作程序2.电源线和电极连接好后，将三电极系统插入电解池3.打开工作站开关五、操作程序4.双击桌面CHI快捷方式图标，打开CHI工作站操作软件进入测试界面工作站操作软件图标工作站操作软件测试界面五、操作程序5.选择CV测试后，进入Parameters界面，修改CV测试的电压窗口、扫描速率以及循环次数等。五、操作程序6.点击工具栏上的开始按钮，即可开始CV测试测试过程测试结果7.粉末压实密度测试与分析01粉末压实密度对电池性能的影响02粉末压实密度仪03粉末压实密度仪-测试参数04粉末压实密度仪-测试流程01粉末压实密度对电池性能的影响一、粉末压实密度对电池性能的影响在材料允许的压实范围内，极片压实密度越大，电池的容量越高。但压实密度越大，材料颗粒之间的挤压程度会越大，极片的孔隙度就会越小，极片的吸收电解液的性能就会越差，电解液越难以浸润，电池循环过程中极化增大，衰减就会较大，内阻增加也尤为明显。压实密度也被看做材料能量密度的参考指标之一一、粉末压实密度对电池性能的影响压实密度对电池内阻的影响（1）压实密度与颗粒的大小、密度有关系，还和粒子的级配有关系，压实密度大的一般都有很好的粒子正态分布。（2）压实密度在一定范围内增大，粒子间的距离越小，接触机率与接触面积也越大，使得导电桥梁和通道增多，电池阻抗降低，内阻减少；（3）压实密度太大，极片的孔隙率降低，超过极限压实密度，极片会压死，电解液不能充分浸润极片，电池的内阻增大，电池性能变差。02粉末压实密度仪二、粉末压实密度仪粉末压实密度仪主要用于粉末和颗粒压实密度测试。dH一定压力下单位体积的粉末质量表示粉末的压实密度（g/cm3）计算公式：ρ=m/V=m/（S·H）m为粉末质量，精确至0.0001gS为粉末横截面积1.327cm2（直径d=13.00mm）H为粉末高度，大小等于|位移|*0.1cm03粉末压实密度仪-测试参数仪器配置测试条件三、粉末压实密度仪04粉末压实密度仪-测试流程01.开机预热30min，校正天平02.联机并点击左上角力“清零”03.清洁模具04.模具组装：将两个铁砧有棱角面相对放置后放入模具孔中；放上柱塞，有棱角面朝下；将组装好的空模具放在设备正中心处；将沾有清洁剂的无尘纸清洁干净模具，再取干净无尘纸再拭擦干净，待用。清洁模具保证模具干净、干燥；不可使用硬物摩擦内壁，以免对模具内壁产生划痕、磨损，影响测试；操作要点14352柱塞2&3.铁砧样品5.底座排气孔6四、粉末压实密度仪-测试流程四、粉末压实密度仪-测试流程05.样品称量：使用减量法称量1.0000±0.0050g样品，将已转移样品的称量纸放在天平上，天平显示的数值为样品的质量，记录质量值。06.选择方案测试：点击软件中“编辑方案”，点击保存，关闭对话框；点击“运行”开始测试07.数据处理四、粉末压实密度仪-测试流程8.粉末电阻率测试与分析01概念02粉末电阻率仪FM100H-测试原理03粉末电阻率仪测试流程04思考01概念一、概念电池电阻是影响锂离子电池充放电性能的重要因素之一。它主要由离子电阻和电子电阻两部分组成。粉体电阻率：是实际电阻值和理论电阻值之间的比率，它是用来表示粉末材料对电流传导能力的指标。电阻率越大，其导电性能就越差。02粉末电阻率仪FM100H-测试原理二、粉末电阻率仪FM100H-测试原理电阻率测量当1、2、3、4四根金属探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体材料上，在1、4两处探针间通过电流I，则2、3探针间产生电位差V。二、粉末电阻率仪FM100H-测试原理材料电阻率探针系数式中：V为电压，I为电流，S1、S2、S3分别为探针1与2，2与3，3与4之间距，用cm为单位时的值，S1=S2=S3=1mm。每个探头都有自己的系数。C

6.28

0.05，单位为cm。若电流取I=C时，则ρ＝V，可由数字电压表直接读出。03粉末电阻率仪测试流程三、粉末电阻率仪测试流程1.开机预热30min；2.设定参数：设置压力为6MPa；设置D、L、T，其中D为电压距离，L为粉杯直径，T为测试温度。3.称量样品：天平称取1.8～1.9g的样品。4.装样：将称量好的样品装入粉杯模具中，盖上顶盖。三、粉末电阻率仪测试流程5.测试夹具施压：将加好样的粉杯有金属顶盖的一面朝上，放入测试夹具施压台上按测试夹具“手动下降加压”仪器开始下降，当压力达到设定值后，连接好鳄鱼夹电源接头。6.读取数值：选择合适电压与电流测试量程，待电压数值稳定后，再次按启动键，显示电阻率测试结果。7.单位换算：1mΩ•m=0.1Ω•m，1Ω•m=100Ω•cm粉末电阻测试仪思考同学们，咱们生活中哪些常见的东西是导电性能很好的，哪些是导电性能很差的呢？根据我们讲的粉末电阻率概念，想一想，如果要提高电池的导电性能，从粉末电阻率这个角度出发，可以怎么做呢？?9.振实密度测试与分析01影响材料振实密度的主要因素02振实密度测试仪01影响材料振实密度的主要因素一、影响材料振实密度的主要因素在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容