鋰離子電池材料是對粒度檢測要求非常高的一個行業(yè)，由于粒度及粒度分布影響著電池材料性能的多個方面，粒度檢測貫穿于材料的研發(fā)過程，生產(chǎn)過程以及上下游的應(yīng)用過程。

以為LiFePO4為例，粒度檢測和粒度控制貫穿在LiFePO4材料從制備到成品到應(yīng)用的整個過程。在這些過程中，激光粒度儀在幫助開發(fā)階段的通過/失敗檢測、過程控制、以及每個工廠的出貨/來料質(zhì)控中起到關(guān)鍵性的作用。下文舉例說明。

磷酸鐵鋰正極材料的性能在一定程度上取決于材料的形態(tài)、顆粒的尺寸以及原子排列，因此制備工藝尤為重要。例如磷酸鐵路線的基本工藝流程，主要包括磷酸鐵前驅(qū)體的生產(chǎn)、濕法球磨、干燥、燒結(jié)這幾個主要步驟。其中最重要的是磷酸鐵前驅(qū)體的生產(chǎn)。前驅(qū)體質(zhì)量將直接決定最終磷酸鐵鋰產(chǎn)品的電化學(xué)性能和加工性能。

下面這個例子用液相共沉淀法制備出前驅(qū)體磷酸鐵P-LFP，然后用碳熱還原法燒結(jié)出磷酸鐵鋰LFP材料。

從下圖和表可知，前驅(qū)體P-LFP在制備過程中不同的工藝參數(shù)可獲得不同粒度的材料，借助于激光粒度儀可以看到前驅(qū)體粒度呈現(xiàn)先減少再增加的趨勢。對應(yīng)的，用不同粒度的P-LFP制備得到磷酸鐵鋰LFP材料，可以發(fā)現(xiàn)LFP粒度同樣呈現(xiàn)先減少后增加的變化。兩者的粒度變化具有高度的相關(guān)性和一致性。前驅(qū)體的粒度決定著制備出的成品LFP的粒度。LFP粒度的改變可以通過改變前驅(qū)體的粒度來實(shí)現(xiàn)。

從P-LFP的粒度分布圖中可以看出，P-LFP2、P-LFP1、P-LFP0.7樣品的粒度呈單峰分布，分布較窄，說明這三個樣品的大小較為均勻。而P-LFP0.4的粒度呈雙峰分布，主峰粒度較小，推測由于粒度過小樣品出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象。同樣的情況也出現(xiàn)在LFP的粒度分布圖中，LFP0.4出現(xiàn)大量團(tuán)聚的情況。

從這幾種LFP材料的比表面積變化也說明了這一點(diǎn)，比表面積呈增大趨勢，并且LFP0.4的比表面積是最大的，當(dāng)材料的比表面積過大時，出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。同時團(tuán)聚也影響了壓實(shí)密度，導(dǎo)致壓縮密度降低，將進(jìn)一步影響電池的容量。

粒度的變化對電化學(xué)性能的影響如何呢？

上文綜述有提到，減少磷酸鐵鋰材料的粒度有助于改善其電化學(xué)性能。粒度減小，縮短了Li+在LFP晶格中的擴(kuò)散距離，有利于活性物質(zhì)得到充分利用，理論上能提高LFP的低溫性能。下圖為這4種LFP材料的低溫放電曲線。隨著粒度的減少，低溫放電比容量增加，低溫放電曲線平臺時間延長，電壓下降速度減緩。可見減少LFP的粒度能有效提高低溫性能。但是隨著粒徑減小比表面積增加，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，過小的粒徑團(tuán)聚反而會導(dǎo)致材料低溫電性能變差，如圖中LFP0.4的表現(xiàn)。

在磷酸鐵鋰材料的制備過程中，工藝參數(shù)的設(shè)置直接影響到產(chǎn)品的粒度分布，粒度分布又直接影響材料的電化學(xué)性能，因此需要建立粒度與工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)性。上面的例子表現(xiàn)為工藝過程存在粒度先減小后增加的情況，準(zhǔn)確的粒度測量可以幫助找到工藝條件的拐點(diǎn)，從而優(yōu)化工藝參數(shù)。

激光粒度儀是建立粒度與工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)性的*優(yōu)工具。通過激光粒度儀測量獲得準(zhǔn)確的前驅(qū)體粒度分布以及粉碎等工藝的粒度分布信息，幫助優(yōu)化工藝參數(shù)，幫助進(jìn)行工藝過程控制，最后得到合適粒度的磷酸鐵鋰產(chǎn)品。

前文概述有提到，LiFePO4材料相比其他三元鋰正極材料而言其體積比容量較低，在動力電池的應(yīng)用中由于空間體積的“限制”，能量密度“低”的缺點(diǎn)顯得更為突出。在電池制造工藝中，與之直接相關(guān)的是正極片的壓實(shí)密度，極片壓實(shí)密度可以通過材料原始狀態(tài)的振實(shí)密度這一參數(shù)來反映，而振實(shí)密度又是材料顆粒形貌和粒度的綜合外在表現(xiàn)。

因而，顆粒形貌和粒度分布的改善都可以幫助提高振實(shí)密度從而一定程度上提高體積比容量，所以合成粒度可控的類球形顆粒是工藝優(yōu)化的方向之一。

在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)化材料粒度分布可提高極片壓實(shí)密度，即使D50接近的材料，若D10、D90、 Dmin、Dmax有差別，也會造成壓實(shí)密度不同。粒度分布太窄或粒度分布太寬都會使材料壓實(shí)密度降低。對于粒度分布的影響，有的電池廠家會對正極材料生產(chǎn)商提出要求，而有的電池廠家則通過將兩種不同粒度分布的LFP材料進(jìn)行混合，從而利用細(xì)顆粒填充大顆粒空缺的優(yōu)勢，達(dá)到提高壓實(shí)密度，提升倍率性能和能量密度的目的。

如下圖(1)是某磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)廠家對材料進(jìn)行粒度級配的例子。級配后材料粒度呈雙峰分布，由特定質(zhì)量比及特定粒度大小的小顆粒和大顆粒組成，可使小顆粒充分填充在大顆粒之間的間隙，實(shí)現(xiàn)最密堆積，從而提升制成的極片的壓實(shí)密度，提高電池的比容量。

下圖(2)是研究人員對兩種不同粒度的LFP材料按不同比例進(jìn)行粒度級配，并測試其倍率性能，可以看出，粒度級配后材料的倍率性能表現(xiàn)出顯著的差異，合適比例的兩種材料級配后可以提升其倍率性能。

把不同粒度大小的粉體顆粒進(jìn)行級配需要非常準(zhǔn)確和精密的區(qū)間含量分析的粒度測量儀器，對激光粒度儀的分辨力和靈敏度要求也非常高。

在生產(chǎn)中刮板法是最直接的粒度測量方式，這種方法精度低人為誤差影響較大。對于研發(fā)階段的工藝參數(shù)的優(yōu)化研究，需要定量分析，激光粒度儀測量結(jié)果可以提供更多信息，粒度分布的表征更為精細(xì)。在需要用到特殊的溶劑(如NMP)時，可以根據(jù)具體情況對測試條件做適應(yīng)性的方法開發(fā)。