动态仪器DA和DX对小比表面材料的对比测试

摘要

新能源电池材料一直都是研究的热门，而小比表面的三元材料将成为主流，这种材料的电池具有高稳定性、高安全性、高性价比等优势，电池原材料的比表面积对浆料的配制、极片的涂布有一定影响，对电池首次库仑效率和循环性能有较大影响。小表面积样品由于其很小的吸附量，难以对气体进行准确探测，一直是行业内的难点。本文通过实验的方式，分别使用精微高博的动态比表面测试仪JW-DA和JW-DX型号对某三元前驱体材料进行比表面测试，并对比两种型号的仪器的测试结果，从而得出选型的建议。

第一节 原理

    选用精微高博JW-DA和JW-DX两种型号作为实验仪器，这两种型号仪器的原理均基于连续流动色谱法，这是一种采用气相色谱仪中的热导检测器来测定氮吸附量的方法。但是二者存在区别，JW-DA是通过测量脱附峰面积来得出比表面积，而JW-DX是通过测量吸附峰面积来得出比表面积。

在流动态色谱法测定比表面时，利用热导池作为氮浓度传感器，样品的吸附量正比于热导池的输出电压信号值，由于吸附过程是连续进行的，需要一定的时间，因此热导池的输出信号也随吸附时间不断变化，输出信号电压从0逐渐增大，对应于吸附速度增加，达到最大值后，逐渐减小，吸附完成时又回到0，这样在时间-电压图上出现一个峰形的曲线，称为吸附峰，脱附时，同样出现一个脱附峰，只是电压方向相反，而通过软件的处理，可得到正的峰。

热导池的输出电压与其中的热敏电阻密切相关，JW-DA和JW-DX在实验中使用氮气和氦气的混合气体，在液氮的温度下，即77K，氦气不会被吸附，故可以作为载气用于调节氮气分压，而且，氦气的导热系数与氮气有将近五倍的差别，因此氮氦混气对于热导池中的热敏电阻的冷却效果取决于氮气的浓度。

第二节 实验

称取一份已知比表面为9.1m²/g的标准炭黑作为标定，质量约为1g，另外称取三份未知比表面的待测三元材料前驱体粉体。测试前，通过预处理机对样品进行120℃真空干燥处理1小时。

在多次重复实验中，分别截取其中两份结果进行对比分析。

JW-DX型号的测试结果如下图所示。

JW-DA型号的测试结果如下图所示。

在多次的实验结果中，JW-DX型号仪器的测试结果和JW-DA型号仪器均具有良好的重复性，且对于小于1m²/g的比表面积的三元材料，测试结果精确，能将误差范围降低到0.05m²/g以内。

从结果中可以看出，JW-DX要比JW-DA更加准确，这是由于两种型号的测试方法不同，JW-DA仪器是先使样品达到吸附平衡，然后依次脱附，测量脱附峰面积，在脱附的过程中可能存在脱附不完全，故测试结果较小，而JW-DX仪器则是直接测量吸附峰的面积，不存在吸附不完全的可能，所以JW-DX仪器要比JW-DA仪器更加可靠，更加值得信任。

第三节 结论

    JW-DA和JW-DX两种型号的仪器均采用动态法测量比表面，具有以下优点：

1.易于实现多样品同时测试，一般都有3~4个被测样品，不需要增加检测器的数量，因此测试设备成本较低，测试效率高；

2.采用直接对比法测试比表面速度很快，适合材料的在线检测；

3.由于采用标定的方法，因此测试条件如温度、湿度、流量、液氮面水平对测试结果影响都较小；

4.测试范围、重复精度和可靠性均能满足需要，而且价格低廉。

对于同样的样品，JW-DA和JW-DX均表现出良好的重复性，实验结果均在正常误差范围之内，而且，JW-DX对于测试小比表面的材料体现出极强的可靠性，是电池材料行业中测试仪器的首选。

在通讯电池方面，最近5 年内，钴酸锂的主导地位将会逐渐弱化，可能出现钴酸锂和钴锰三元材料共存的现象，5年后，可能是镍钴锰三元材料独霸的时代。

在电动工具领域，镍钴锰三元材料具有高的能量密度、良好大电流充放电性能、优秀的循环性能及安全性能，有可能成为主要的正极材料。在动力电池领域，由于钴酸锂的安全问题和高昂的价格，使其一直在动力电池门外徘徊，始终没有完全进入动力电池领域。目前，钴酸锂和锰酸锂小批量配合使用，始终没有大批量进行商业化运作，产品只是在小批量试生产阶段。

在动力电池领域，磷酸基正极材料、锰酸锂、镍钴锰三元材料有可能替代钴酸锂成为新一代正极活性物质。

所以，三元材料的发展是不可阻挡的，而其比表面的又是影响性能的重要参数，故JW-DX型号的动态比表面测试仪是值得信赖的仪器。