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應(yīng)用筆記丨不同負(fù)極材料表征對(duì)比
Li-ion Battery
Micromeritics 《鋰電小課堂》系列視頻第3期來啦！
不同的鋰離子電池負(fù)極材料，在能量密度上存在差異，能夠顯著影響鋰離子電池的性能。本期內(nèi)容，麥克的應(yīng)用科學(xué)家會(huì)為大家介紹鋰離子電池的負(fù)極材料。也一起看看 Micromeritics 在負(fù)極材料的研發(fā)方面能帶來哪些助力。
應(yīng)用筆記
用氣體吸附 BET 表面積和 DFT 表面能表征先進(jìn)電池負(fù)極
鋰離子電池是一種先進(jìn)的技術(shù)，將在能源向可再生和可持續(xù)的解決方案過渡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和安全性的提高推動(dòng)了它們的應(yīng)用。在汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能和電子消費(fèi)品領(lǐng)域的應(yīng)用將繼續(xù)推動(dòng)它們?cè)谖磥韼啄甑脑鲩L(zhǎng)。
負(fù)極是電池的關(guān)鍵組成部分，石墨由于成本低、含量豐富、無毒和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此一直是電池的主要材料。然而，為了提高電池性能，人們正在研究石墨烯和氧化石墨烯等替代材料。本應(yīng)用筆記將使用幾種 Micromeritics 物理吸附裝置分析這三種材料。
本案例對(duì)鋰離子電池常用負(fù)極材料石墨進(jìn)行了 BET 表面積和 DFT 表面能分布表征，并與其它替代負(fù)極材料進(jìn)行了比較。
材料及設(shè)備
商業(yè)石墨負(fù)極粉末 (Sigma Aldrich Lot# MKCK3331)、氧化石墨烯 (Sigma Aldrich Lot# MKCP6914)?和石墨烯 (Sigma Aldrich Lot# MKCP4019) 在三臺(tái) Micromeritics 物理吸附儀器上進(jìn)行分析：Gemini、TriStar 和 3Flex。
Gemini
TriStar
3 Flex
Gemini 是專門為快速表面積測(cè)量而設(shè)計(jì)的。它使用了吸附質(zhì)速率注氣方法，按照樣品吸附氣體的速率注氣，這使得速度比典型的測(cè)壓儀器更快。此外，對(duì)每個(gè)分析進(jìn)行空白管校正，可以得到精確的結(jié)果，誤差更小。這允許用氮?dú)馕綒怏w進(jìn)行低比表面積表征，這比用氪分析更實(shí)惠。另一方面，TriStar 是為高通量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)計(jì)的，在一個(gè)杜瓦瓶中有效地分析三個(gè)樣品。TriStar 也有氪氣選項(xiàng)可用于低表面積 BET 分析。3Flex設(shè)計(jì)用于高通量研究，具有多種功能，包括微孔和蒸汽分析，以及氪分析，并支持靜態(tài)或動(dòng)態(tài)化學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)
所有樣品在 300°C 的抽空條件下，在 Smart VacPrep 上脫氣 60 分鐘。稱重樣品以獲得脫氣后樣品質(zhì)量后，將其安裝在每個(gè)儀器上，以在液氮溫度 77K 下使用氮?dú)馕綒怏w進(jìn)行分析。在 TriStar 和 Gemini 上收集了從 0.05 到 0.3 的 11 個(gè)點(diǎn)的相對(duì)壓力。在 3Flex 上收集了飽和壓力點(diǎn)前的完全吸附和脫附等溫線。
表面積
從不同 Micromeritics 的物理吸附儀上收集的 BET 表面積結(jié)果顯示出良好的重復(fù)性，如下表所示。
有意思的是，當(dāng)選擇典型的 0.05-0.3 相對(duì)壓力范圍進(jìn)行 BET 計(jì)算時(shí)，石墨和石墨烯樣品都無法獲得可靠的 BET 擬合線性度。當(dāng)選擇典型壓力范圍時(shí)，BET 計(jì)算如圖 2 所示。
石墨和石墨烯在這個(gè)范圍內(nèi)都有兩個(gè)線性區(qū)域。在圖 3 所示的 Rouquerol 變換圖中，這些多個(gè)線性區(qū)域更加顯著地顯示出來，這在為 BET 計(jì)算選擇合適的相對(duì)壓力范圍時(shí)起到了很好的指導(dǎo)作用，尤其是當(dāng)線性 BET 相對(duì)壓力擬合范圍偏離典型的 0.05-0.3 相對(duì)壓力時(shí)。
隨著壓力的增加，這些不同尋常的等溫線也反映了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，即氮在石墨烯薄片表面的堆積轉(zhuǎn)變。
同時(shí)，DFT 表面能方法通過對(duì)基于具有不同表面能的非多孔表面模型等溫線庫的實(shí)驗(yàn)等溫線進(jìn)行反卷積來表征表面能的不均勻性。
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關(guān)于麥克默瑞提克
Micromeritics 是提供表征顆粒、粉體和多孔材料的物理性能、化學(xué)活性和流動(dòng)性的全球高性能設(shè)備生產(chǎn)商。我們能夠提供一系列行業(yè)前沿的技術(shù)，包括比重密度法、吸附、動(dòng)態(tài)化學(xué)吸附、壓汞技術(shù)、粉末流變技術(shù)、催化劑活性檢測(cè)和粒徑測(cè)定。
公司在美國、英國和西班牙均設(shè)立了研發(fā)和生產(chǎn)基地，并在美洲、歐洲和亞洲設(shè)有直銷和服務(wù)業(yè)務(wù)。Micromeritics 的產(chǎn)品是全球具有創(chuàng)新力的知名企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)旗下 10,000 多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)選儀器。我們擁有世界級(jí)的科學(xué)家隊(duì)伍和響應(yīng)迅速的支持團(tuán)隊(duì)，他們能夠?qū)?Micromeritics 技術(shù)應(yīng)用于各種要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中，助力客戶取得成功。
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