粉末材料性能與電池容量、倍率及安全性能密切相關(guān)，而粉末材料電阻率是粉末性能評(píng)估的關(guān)鍵參數(shù)之一。粉末材料電阻率常用的測(cè)定方法有兩探針和四探針兩種方式（如圖1），兩探針?lè)ǖ臏y(cè)試電極分別置于樣品上下兩側(cè)，通過(guò)施加激勵(lì)電流，檢測(cè)樣品上下兩側(cè)的電壓，最終得到樣品的整體電阻，并可通過(guò)樣品成型尺寸換算得到樣品的電阻率；四探針?lè)ǖ臏y(cè)試電極置于樣品同側(cè)，通過(guò)在外電極施加激勵(lì)電流，內(nèi)電極檢測(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)粉末材料表面電阻率的測(cè)定。

本文一方面選取鋰離子電池及鈉離子電池常用的粉末材料：石墨（GR）、磷酸鐵鋰（LFP）、鎳鈷錳三元（NCM）、鈷酸鋰（LCO）、富鋰錳基（LRM）、普魯士藍(lán)（PBF），評(píng)估其使用兩探針及四探針?lè)椒y(cè)得的電阻率差異；另一方面以鎳鈷錳三元（NCM）及石墨（GR）為代表，評(píng)估不同測(cè)試方法下取樣量對(duì)粉末材料電阻率及壓實(shí)密度測(cè)定結(jié)果的影響。

圖1粉末材料電阻率測(cè)定方法

左：兩探針 右：四探針

01

不同方法下粉末材料電阻率測(cè)定

?測(cè)試設(shè)備：

采用PRCD3100（IEST-元能科技）對(duì)6種粉末材料進(jìn)行兩探針及四探針電阻率測(cè)定，設(shè)備如圖2。

圖2. (a）PRCD3100外觀圖

（b）PRCD3100結(jié)構(gòu)圖

?測(cè)試參數(shù)：

施加壓強(qiáng)范圍10-200MPa，保壓10s。

?取樣質(zhì)量：

NCM/LCO/LRM 2.0000g，LFP/GR/PBF 1.0000g。

?測(cè)試結(jié)果：

以上6種粉末材料在使用兩種測(cè)試方法測(cè)得的電阻率均隨壓力的增大而呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且趨勢(shì)一致（如圖2左圖）。取90MPa壓強(qiáng)下的電阻率值進(jìn)行對(duì)比分析，GR/LFP/LRM/PBF/LCO四探針測(cè)試結(jié)果均小于兩探針的測(cè)試結(jié)果，而NCM四探針的測(cè)試結(jié)果大于兩探針，且這種差異在低壓強(qiáng)下更明顯（如圖2），這種差異與材料本身狀態(tài)（顆粒大小、吸潮狀態(tài)等）密切相關(guān)。因此，用戶(hù)可根據(jù)不同樣品類(lèi)型的測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性選擇合適的測(cè)試方法。

圖2. 左：兩種方法下電阻率隨壓強(qiáng)的變化

右：90MPa下兩種方法測(cè)試絕對(duì)值的對(duì)比

02

取樣量對(duì)粉末材料電阻率測(cè)定的影響

?測(cè)試設(shè)備：

采用PRCD3100（IEST-元能科技）的兩探針模式評(píng)估不同取樣量的NCM粉末電阻率，采用四探針模式評(píng)估不同取樣量的GR粉末電阻率，測(cè)試設(shè)備同1.1。

?測(cè)試參數(shù)：

施加壓強(qiáng)范圍10-200MPa，保壓10s。

?取樣質(zhì)量：

NCM：0.5000g、1.0000g、1.5000g、2.0000g、2.5000g

GR：0.6000g、0.8000g、1.0000g、1.2000g、1.4000g。

?測(cè)試結(jié)果：

使用兩探針?lè)椒▽?duì)不同取樣量的NCM粉末的電阻率測(cè)定結(jié)果顯示，在低壓強(qiáng)條件下，電阻率受取樣量的影響較大（如圖3，表3），對(duì)同一壓強(qiáng)下不同取樣量的電阻率及壓實(shí)密度一致性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示，大壓強(qiáng)下電阻率一致性更優(yōu)（如表3：COV）；壓實(shí)密度測(cè)試結(jié)果顯示，取樣量對(duì)壓實(shí)密度的影響相對(duì)較小，但在實(shí)際壓實(shí)密度評(píng)估中，樣品壓實(shí)密度測(cè)定極差一般要求小于0.05g/cm3，因此在實(shí)際評(píng)估中也需要保證取樣量的一致性。

圖3.（圖a）兩探針?lè)椒ㄏ翹CM不同取樣量電阻率

（圖b）壓實(shí)密度隨壓強(qiáng)的變化曲線

表3.兩探針?lè)椒ㄏ翹CM不同取樣量電阻率

及壓實(shí)密度測(cè)定差異對(duì)比

使用四探針?lè)椒▽?duì)不同取樣量的GR粉末的電阻率測(cè)定結(jié)果顯示，在低壓強(qiáng)條件下，電阻率和壓實(shí)密度受取樣量的影響更大（如圖4，表4），對(duì)同一壓強(qiáng)下不同取樣量的電阻率及壓實(shí)密度一致性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示，大壓強(qiáng)下電阻率一致性更優(yōu)（如表4：COV）；壓實(shí)密度測(cè)試結(jié)果顯示，小壓強(qiáng)下取樣量對(duì)壓實(shí)密度的影響更大；與兩探針NCM不同取樣量相比，四探針GR電阻率及壓實(shí)密度受取樣量的影響更大，這可能是由于GR電阻率及壓實(shí)密度本身偏小，更易因取樣量的差異而造成明顯波動(dòng)，故實(shí)際測(cè)定中需考慮取樣量的一致性。

圖4.四探針?lè)椒ㄏ翯R不同取樣量電阻率（圖a）

壓實(shí)密度（圖b）隨壓強(qiáng)的變化曲線

表4.四探針?lè)椒ㄏ翯R不同取樣量電阻率

及壓實(shí)密度測(cè)定差異對(duì)比

03

測(cè)試總結(jié)

本文對(duì)比兩種測(cè)試方法對(duì)常見(jiàn)鋰電粉末的電阻率和壓實(shí)密度測(cè)試差異，發(fā)現(xiàn)樣品類(lèi)型不同時(shí)，電阻率的大小趨勢(shì)也不同。另外，對(duì)比了不同取樣量對(duì)電阻率和壓實(shí)密度的差異時(shí)，發(fā)現(xiàn)在低壓強(qiáng)下取樣量的影響程度更大。因此選擇合適的測(cè)量方法及測(cè)試條件對(duì)粉末材料電阻率進(jìn)行測(cè)定，可有效評(píng)估粉末制成工藝的穩(wěn)定性，同時(shí)幫助研發(fā)人員提前預(yù)估成品電芯的內(nèi)阻及倍率性能，有效加快研發(fā)進(jìn)度。

審核編輯 ：李倩