直接分析電池全元素

你是否了解鋰電池效能與元素分佈之間的關係?(上)

作者利泓科技技術專員 廖婉婷
日期2022-04-25

此篇文章向讓你知道的是

  • 鋰電池組成分—正負電極混漿製程中面臨的難題
  • 元素分佈如何影響鋰電池效能
  • LIBS雷射剝蝕元素光譜儀如何協助優化製程條件

 

電極原材料品質監控與產地管制

鋰電池電極原物料的純度除了直接影響電池電化學反應的效率及安全以外,其成本就佔據了鋰電池原料成本的27-40%。
在疫情下拉長的運輸貨期壓力,還有不斷瘋漲的物料價格,不僅是仰賴進口的台灣,世界各國都在尋求快速精準的分析技術,來減少在篩檢及製程良率檢測上的時間成本。

除了具有可直接固體上樣的優勢外,本身為元素光譜分析的LIBS也能夠串聯ICP-MS質譜儀(市面上所有廠牌),成為Tandem元素分析系統。這表示只需一次進樣,就能獲得樣品中元素光譜及質譜分析資訊(%至ppb範圍):

LIBS測定樣品中主要元素組成(ppm-%)

ICP-MS測定樣品中微量元素/痕量不純物含量(ppb)

快速篩檢原物料品質
優化物料品質管理程序,降低時間成本

無需再使用濕式消解前處理程序,LIBS 可以直接分析原物料,快速篩檢原物料元素與不純物含量,快速鑑定材料品質。後續也能建立軟體資料庫,直接比對每一批次進口到貨的物料品質。

只要將原物料簡單處理:
粉末壓成錠片,放入LIBS的樣品chamber中,即可進行原物料元素含量,不純物分析。

LIBS 直接進樣快速分析NMC材料錠片_利泓科技

你是否有證明原物料產地的需求?

企業衝突礦產承諾

來自剛果民主共和國的「衝突礦產」—鈳鉭鐵礦,是電子產業常使用的原料。其中也包含電極材料中常用的鈷金屬。

LIBS雷射剝蝕元素光譜儀,能夠固體進樣,直接分析原物料粉末,配合軟體模型PCA資料庫在數秒內得到溯源分析,快速釐清並證明原物料來源產地。

LIBS篩選出衝突礦產鈳鉭鐵礦結果_利泓科技

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電極製程與元素分佈的關係

鋰電池正負電極製程包含了:漿料混合(Mixing),塗佈(Coating),乾燥(Drying),壓延(Calendaring)等階段。

電極漿料在混合過程中最大的挑戰就是漿料中活性物質,導電添加劑顆粒等材料容易產生沉降(Sedimentation)與團聚(Agglomeration),造成後續在集電器上的塗佈困難,黏附力差等影響。這也造就了在固定材料配方與含量比例下,同批次的電池最終效能品質卻不如預期的原因。

電極中的元素分佈狀況是製程中需要掌握的重點資訊。然而傳統的元素分析方式,是需要透過濕式消解和後端元素分析(AAS,ICP-MS等)而得到的元素總量結果,並無法得知元素在電極中的分佈和均質性。

利用高功率雷射激發樣品中元素的LIBS雷射剝蝕元素光譜儀,突破了輕元素分析限制的瓶頸,且不局限在電極表面,而是能夠進行分層與深度(depth profile)分析,協助測定樣品中元素的垂直分佈。在電池產業中也被使用作為優化漿料混合方法的技術。

漿料混合方法對電極中黏著劑分佈的影響

LIBS監測元素分佈並優化製程方法

電極漿料混合的方式與混合時間都會影響黏著劑在漿料中分佈均勻性與結塊程度。以下是LIBS在優化兩步驟漿料混合方法上的應用:

石墨負極活性材料與黏著劑的含量:

    • 石墨含量:88.78%
    • 乙炔碳 Acetylene Black:3.97%
    • PVDF 含量:8.2%
LIBS 在優化電池漿料混合方法應用_利泓科技_ASI

以F作為黏著劑的標記元素進行分佈均質性的檢測,藉由黏著劑和電極中C元素的分佈狀況去調整出最佳的漿料混合方法條件。除了能夠提供電極塗層中元素的分佈,比起傳統元素分析,LIBS突破測定輕元素的瓶頸,在元素分析領域中能夠應用在更多層面上。

觀測電極中活性材料的元素分佈

LIBS提供電極表面及垂直分佈資訊

電極中活性材料是電池中電化學主要反應物質。

LIBS以點陣圖剝蝕電極,得到LFP電池中活性材料Li,Fe,P在正極表面及不同深度的垂直元素分佈資訊。並且同步分析集電器(Current Collector)鋁箔(Al)的元素分佈資訊。

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