前 言

锂离子电池的电化学性能与正负极粉体材料的性能紧密相关，其中，正极材料金属异物杂质含量、水分超标、批次一致性差等问题存在都可能引起锂离子电池失效甚至安全性问题，对于电池企业，来料检验是电池制作工艺流程的关键环节，来料检验中正极粉体材料批次间差异越小，一致性越好，成品电池才能越稳定。在正极材料的批次稳定性控制中，粒径、振实密度、压实密度、比表面积、水分、pH值、电阻率等作为标准监控指标进行严格监控，本文采用元能科技的粉末电阻率&压实密度仪进行粉末电阻率及压实密度长期稳定性测试，为粉体材料的性能一致性提供监控方法。

图1. 锂离子电池生产工艺流程图

1. 指标及监控方法

1.1 同一款NCM材料不同批次分别进行单独封装，每天拆一包进行3组重复性测试，共计测试30天；1.2 采用PRCD3100（IEST-元能科技）分别对材料进行电阻率及压实密度测试，测试设备如图2所示。

测试参数：压强范围12-20MPa，间隔2MPa，保压10s；80-180MPa，间隔50MPa，保压10s。

图2. (a）PRCD3100外观图；（b）PRCD3100结构图

2. 测试结果

2.1 测试前注意事项

电阻率及压实密度稳定性测试影响因素较多，包含人、机、料、法、环等各个环节，人员操作方法的熟练程度、对关键细节的把控、测试设备稳定性、待测样品状态、测试原理选择的合理性、测试环境的稳定性等均是电阻率及压实密度稳定性测试的关键因子。为保证整体测试数据的可靠性，实验测试前需对设备的关键模块进行系统化测试及校准，其中主要包含压力模块校准、厚度模块及电阻模块校准，确保设备整体测试的准确性。实际测试在25℃±2℃控温环境条件下进行；样品选择上保证样品状态一致，无异常团聚或结块现象发生，不同批次均单独封装，共计30包，尽量减小样品随时间变化受环境的影响，如发生吸潮现象，实际测试过程每天拆一包，重复进行3组重复性测试，由于PRCD3100为电阻率及压实密度双功能设备，两个参数均为同组参数输出，测试完成后对30天数据进行系统化汇总及分析，包括不同压强点下的测试结果汇总均值、变异系数、极差、标准偏差（西格玛）及均值正负三西格玛的控制限等参数。

2.2 电阻率测试结果

电阻率是表征材料电阻特性的物理量，锂离子电池粉体电阻率的测定可用于材料改性评估、工艺条件评估及质量监控等方面，随着锂离子电池行业的发展，材料的品种更加多样化，生产工艺也更加复杂，材料失效的风险也就更大，因而对其质量管理的要求也就更高，本实验以粉体材料电阻率长期稳定性监控为基础，探究粉体电阻率检测在质量监控方面的应用。

表1. 30天电阻率测试数据分析汇总表格

如表1为NCM样品30天电阻率测试数据分析汇总表格，从测试数据可以看出该粉体样品的电阻率均随压强的增大而降低，且其变异系数COV的分析结果上看，低压强12MPa下30天测试数据的COV为4.13%，高压强180MPa下为2.28%，整体测试重复性均在较好的水平，但严格来对比，低压强下重复性COV偏大，这主要是因为在实际电阻率测定过程中，低压强条件下粉体充填不紧密，粉末颗粒之间的空隙率较大，重复性测试一致性相对较差，随着压强的增大，粉末颗粒滑动重排形成紧密的堆积状态，颗粒间的空隙率减小，重复性测试一致性变好，同时大的压强可以减少测试过程中的一部分接触电阻，从而提升整体测试的重复性及一致性，这也是实际测试中建议选用大压强条件进行测试的原因之一。

图3. 30天电阻率测试数据12MPa及180Mpa压强下整体波动汇总图

西格玛是标准偏差的一个测量单位，用希腊字母（σ）表示，在锂离子电池来料质量监控中，西格玛是一个关键性指标，通常标准规格为长期数据监控均值的2~3σ。图3为30天电阻率测试数据12MPa及180Mpa压强下整体波动汇总图，结合表1分析数据可以明显看出，该材料30天的数据均满足Mean±3σ的范围。在实际质量监控中，电阻率可以做为一个关键性指标，前期结合不同批次样品电阻率测试的真实情况，系统化分析其变异系数、均值及西格玛等的波动变化，确定2~3σ为标准的质量监控规格，后期可结合该规格和实际应用场景进行标准化监控，如批次稳定性工艺评估、来料一致性监控等。

2.3 压实密度测试结果

随着锂离子电池的发展，为追求更高性能锂离子电池的开发，越来越多企业开启了对高容量、高电压及高压密材料的研发及生产，以适应更多消费者的需求。行业内压实密度评估多停留在极片端，实验证明压实密度与片比容量、效率、内阻以及电池循环性能等密切相关，一定程度下压实密度越大，电池的比容量越高，所以压实密度的有效评估对电池的优化改进非常重要，而相比极片端的压实密度评估，从粉体材料端快速评估其也是密度亦可作为材料评估筛选的有效手段，同时在质量监控方面也有十分重要的意义。 

表2. 30天压实密度测试数据分析汇总表格

如表2为NCM样品30天压实密度数据总体汇总表格，从数据上看，压实密度随着压强的增大而增大，整体数据的重复性COV均小于0.5%，且重复性测试极差均小于0.06g/cm³，综合来看数据整体测试稳定性及重复性较好。进一步系统化分析压实密度的±3σ的范围，并结合30天数据进行了系统化压实密度波动汇总，如图4所示为30天压实密度12MPa及180MPa下的测试数据波动图，均满足±3σ的规格范围，但相比于12MPa下的数据波动，180MPa下的数据波动更小，这与不同压力下粉体空隙状态与颗粒随压强流动重排有一定关系，除此之外，压实密度整体的波动也与测试关键点的控制，如样品状态、设备稳定性、测试模具稳定性等因素密切相关，实际测试过程中也需要对这些关键因子进行合理的控制，尽可能把影响因素降到最低。在实际质量监控中，与电阻率应用相同，研发前期可针对不同的样品测试需求及测试场景，收集大量压实密度相关参数，并对关键因子进行控制，进而系统化分析材料压实密度的西格玛规格范围或严格的极差监控范围，后续可以针对新批次的样品或来料进行压实密度测定，从而达到质量监控的目的。

图4. 30天压实密度测试数据12MPa及180Mpa压强下整体波动汇总图

3. 总结

本文采用PRCD3100测试同一种材料30天的电阻率和压实密度，通过对数据进行系统化分析，展示了在质量监控方向的应用场景，为样品批次稳定性监控提供一种方法，为锂电材料稳定生产及新工艺优化助力。

4. 参考文献

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[2] 朱洁, 赫晶远, 王晶. 影响粉末电阻率测定结果的因素[J]. 炭素技术, 2002(3):3.

[3] 李霞. 兰炭粉末电阻率测定结果影响因素分析[J]. 中国盐业, 2020(9):4.

[4] 贾红英. 锂离子电池正极材料的质量管理[J]. 科技创新导报, 2017, 14(17):2.