近些年，国家对能源问题、环保问题的关注日益提升，国家出台碳中和相关政策，努力争取2060年前实现碳中和，新能源及其相关行业也随之发展迅猛。其中，非常具有代表性的新能源车以其无污染、节能、经济等特点，强势走进了人们的视线，并在国家政策的大力推动下愈发火爆。随着对新能源车的需求不断增加，对高性能锂离子电池的需求也不断增大，锂离子电池的研发和生产单位如雨后春笋般大量涌现。

锂离子电池有四大关键材料：正极、负极、隔膜和电解液。其充放电原理如下图所示。

其中，正极材料是决定锂离子电池性能和成本的重要因素，也是制约电池容量进一步提高的关键因素；是电池能量密度提高的关键技术突破方向。从磷酸铁锂（LFP）、三元到高镍三元，电池能量密度不断提升。处于对材料能量密度、循环寿命、成本以及安全性的考虑，目前，最热门的正极材料主要是磷酸铁锂（LFP）和镍钴锰酸锂（NCM）三元电池材料。

对锂离子电池正极材料研发和生产过程中的性能表征，是确保锂离子电池最终性能必不可少的重要过程。材料的密度测试，正是需要考察的一个重要指标。对于研发人员来说，提高正极材料的真实密度，意味着可以提高锂离子电池的能量密度，提高电池的性能；而在生产过程中，保证正极材料真密度指标稳定，是确保锂离子电池产品稳定的重要操作。

本文中，我们使用了 Micromeritics 的 AccuPyc 系列真密度检测仪，对镍钴锰酸锂（NCM）三元电池材料的密度进行了表征检测。AccuPyc系列仪器采用气体置换法原理，利用 He 作为气体介质，获得材料的实际体积数据，并根据测试样品的质量，计算出材料的真实密度。气体测密度法是世界公认的测骨架体积和密度的最可靠技术之一，该技术采用气体置换法测试出体积，所用气体为惰性气体，如氦气或氮气，所以能够达到无损检测的状态。并且，由于气体分子比较小，所以测得的真密度比传统的阿基米德浸液法更准确，重复性更高。

下图是仪器的工作原理图，样品在样品仓中形成密封环境，打开 1 阀，气体进入样品仓，达到一定压力后，阀门关闭，待样品与气体达到平衡后，压力传感器读取此时压力 P1 。之后 2 阀打开，气体则会从样品仓扩散进入扩展仓，待两个仓内的气体和样品达到平衡后，压力传感器读取此时压力 P2 。之后基于理想气体状态方程 PV=nRT，换算出材料的真实体积 V ，带入 p=m/V，计算出材料的真实密度。 

实验步骤

1. 清洁样品池。先用水清洗，用柔软的纱布或纸巾擦拭，亦可用乙醇进行冲洗，常温晾干或 90℃ 烘干。 

2. AccuPyc 系列仪器开机。测试前，先打开 AccuPyc 主机及操作软件进行主机预热，预热时间至少 30 分钟。

3. 称量。先把 10 cc 的样品杯置于万分之一天平上，读数稳定后，去皮。将样品杯拿出装入样品，样品体积大概占据样品杯体积 80%-90%。再次进行称量，获取样品实际质量，并记录下来。之后把样品杯放入到仪器样品仓中。

4. 设定测试条件。设定测试条件中最重要的参数是质量、压力和测试次数。质量决定了测试结果的准确性，一定要输入正确的质量。压力确定了结果的正确性，需要采用跟参考文件/标准/参考文献相同的压力，才能获得具有可比性的数据。测试次数决定着测试时间，测试次数越多，测试时间越长。本实验采用的测试条件为：测试压力 P=19.5psi；吹扫次数10次；测试次数10次。

5. 运行测试。

6. 报告数据。

   
   

测试结果及分析

经过测试，我们得到了如下结果：

NCM 的体积平均值为 3.3577 g/cm³，标准偏差为 0.0010 g/cm³；密度平均值为 4.5769 g/cm³，标准偏差为 0.0014 g/cm³。

通过密度和体积表格可查看每一次循环测试的结果。

从上面的表格中可以看出，材料的真实体积都在3.35cm³ 范围内，仅在小数点后第三位出现浮动，计算得出的密度约为 4.57 g/cm³，同样仅在小数点后第三位出现浮动。这个变化可以说非常小了。

接下来我们以体积对循环次数做图，并以平均体积做标准线，可以得到下图所示的结果。图中红色的圆点是十次的体积测试值，中间红色的水平线为体积平均值。通过这个图不难看出，十次测试的体积结果是围绕着体积平均值波动，非常稳定，并未出现持续走低等异常现象。该图中的绿色曲线是仪器内部的温度变化曲线。从图中可以看出，整个测试过程中，仪器内部温度仅由26.76℃增加到26.98℃，过程中所到达的最高温度是27℃。整个测试过程中，最大温度浮动不超过 0.3℃。并且在温度浮动到27℃时，仪器自动散热，将温度稳定下来。

用质量除以体积，即可得到密度。于是，可使用密度对循环次数做图。从图中可以发现，密度曲线的趋势与体积曲线相符，仅显示出 180° 翻转的关系。

结论

文本使用 Micromeritics 的 AccuPyc 系列全自动密度仪测试了锂离子电池正极材料 NCM 的真实密度。测试过程操作简单，快速，可精确地测试及计算电池材料的真实体积和密度。NCM 的体积平均值为 3.3577 g/cm³，标准偏差为 0.0010 g/cm³ ；NCM 的密度平均值为 4.5769 g/cm³，标准偏差为0.0014 g/cm³，测试结果仅在小数点后第三位浮动。所得的真密度结果可用作材料的研发分析以及生产质量控制指标。