電池的正負(fù)極材料通常采用粒度范圍較窄的材料制造。然而，在材料加工過(guò)程中，可能會(huì)引入細(xì)粉、團(tuán)聚體或污染物。雖然細(xì)粉可能會(huì)提高堆積密度，通常是有益的，但大團(tuán)聚體和污染物則會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)——導(dǎo)致局部過(guò)熱，降低電池性能，縮短電池壽命，并有可能危及電池本身安全性。檢測(cè)這些超大顆粒具有重要意義，但同時(shí)也很具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈冊(cè)陔姌O材料中的含量很低。 

激光衍射是電池材料粒度測(cè)量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，傳統(tǒng)系統(tǒng)常常會(huì)遺漏少數(shù)大顆粒的存在，因?yàn)樗鼈兊纳⑸湫盘?hào)會(huì)被大量顆粒的信號(hào)所掩蓋。 

為解決這一難題，我們探索了Mastersizer 3000+ 的增強(qiáng)功能，通過(guò)結(jié)合自適應(yīng)激光衍射（Size Sure）和動(dòng)態(tài)成像（Hydro Insight）技術(shù)，以提高檢測(cè)靈敏度，并對(duì)單個(gè)顆粒進(jìn)行可視化。

在Mastersizer 3000+ 上采用的自適應(yīng)激光衍射（Size Sure）技術(shù)將整體衍射信號(hào)分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)。穩(wěn)態(tài)反映的是物料的主體部分，而瞬態(tài)事件（由異常大顆粒引起）則被單獨(dú)記錄和分析。這得益于Size Sure 技術(shù)，其每秒可捕獲10,000 幀衍射圖像，提供了超高的時(shí)間分辨率。 

動(dòng)態(tài)成像（Hydro Insight）通過(guò)直觀確認(rèn)大顆粒的存在來(lái)補(bǔ)充Size Sure功能的檢測(cè)結(jié)果。Mastersizer 3000+ 上的Hydro Insight 附件能夠捕捉單個(gè)顆粒的高分辨率圖像，以便獨(dú)立驗(yàn)證和分類（例如，團(tuán)聚體與真正的污染物）。 

在本案例研究中，我們對(duì)純鋰鎳鈷鋁氧化物（LNCA）正極材料以及五個(gè)添加了不同濃度的42.7 微米球形玻璃顆粒的樣品（分別命名為L(zhǎng)NCA + G1 至 LNCA + G5）進(jìn)行了測(cè)試。所有樣品均在Mastersizer 3000+ 平臺(tái)上進(jìn)行了分析，使用的方法為： 

• 動(dòng)態(tài)成像（Hydro Insight） 

• 經(jīng)典激光衍射 （Laser Diffraction)

• 自適應(yīng)衍射（Size Sure） 

樣品在水中（加入少量的IGEPAL CA-630 表面活性劑）通過(guò)Hydro MV 分散裝置進(jìn)行分散。 

• Mastersizer 3000+ 激光粒度儀

• Hydro MV（帶攪拌、超聲和脫氣功能的自動(dòng)分散單元）——可zui大程度減少可能干擾大顆粒衍射信號(hào)的氣泡 

• Hydro Insight（采用標(biāo)準(zhǔn)分辨率鏡頭的動(dòng)態(tài)成像技術(shù)，用于分析1 至 300 微米尺寸范圍內(nèi)的物體） 

圖1.Mastersizer 3000+ 配有Hydro MV 分散單元和Hydro Insight 動(dòng)態(tài)成像裝置

每個(gè)樣本在20 分鐘內(nèi)拍攝了50 萬(wàn)張顆粒的圖像。在純LNCA 樣品中，軟件識(shí)別出三種顆粒群：細(xì)顆粒、規(guī)則顆粒和團(tuán)聚體（圖2），其Dv50 為 6.7 微米（圖3）。    

圖2. 使用Hydro Insight 附件和Mastersizer 3000+ 對(duì) INCA 樣品拍攝了50 萬(wàn)張顆粒圖像。圖像分析軟件將顆粒分為三類：典型聚集體（左）、規(guī)則顆粒（中）和細(xì)顆粒（右）。 

圖3. 利用Hydro Insight 對(duì) 50 萬(wàn)個(gè)顆粒的圖像進(jìn)行分析所得的LNCA 樣品中顆粒尺寸的體積分布，顯示Dv50 為 6.7 微米 

加了玻璃珠標(biāo)樣的樣品（LNCA+G1 至 LNCA+G5）顯示每50 萬(wàn)個(gè)顆粒中有2 至 100 個(gè)不同的玻璃顆粒，相當(dāng)于每百萬(wàn)個(gè)顆粒中有4 至200 個(gè)顆粒的檢出率。前兩個(gè)樣品的圖像見圖4。 

圖4. 使用Mastersizer 3000+ 上的Hydro Insight 附件在LNCA+G1（左）和LNCA+G2（右）樣品中檢測(cè)到的球形玻璃顆粒，總計(jì)5000 個(gè)顆粒。

對(duì)純LNCA樣品 進(jìn)行的五次重復(fù)測(cè)量結(jié)果一致（Dv10 = 3.61 微米，Dv50 = 6.69 微米，Dv90 = 11.6 微米），如圖5 所示，并總結(jié)于表1中。這些測(cè)量結(jié)果還表明，除了平均粒徑約為7 微米的常規(guī)顆粒外，還存在平均粒徑約為1 微米的細(xì)粉。 

圖5. 使用Mastersizer 3000+ 采用經(jīng)典激光衍射法（未使用自適應(yīng)衍射（Size Sure））對(duì)LNCA 陰極材料進(jìn)行了5次測(cè)量。

表1. 對(duì) LNCA 樣品進(jìn)行的5 次重復(fù)經(jīng)典激光衍射測(cè)量結(jié)果匯總。 

在加有玻璃顆粒的樣本中，只有LNCA+G4 和 LNCA+G5 中可檢測(cè)到玻璃顆粒，其濃度超過(guò)~100ppm（圖6）。濃度較低的樣本未顯示出玻璃顆粒峰。 

圖6. 采用MS3000+ 型激光粒度儀測(cè)得的純LNCA 及摻入玻璃顆粒的試樣LNCA+G4 和 LNCA+G5 的經(jīng)典激光衍射數(shù)據(jù)。在LNCA+G4 和 LNCA+G5 試樣中可見玻璃顆粒峰，而在較低濃度下則不可見。 

Size Sure 保持了與經(jīng)典測(cè)量方法相同的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，但獨(dú)特之處在于，即使在低濃度樣本中，也能揭示出大顆粒的瞬態(tài)信號(hào)。 

對(duì)純LNCA 樣品進(jìn)行5 次重復(fù)測(cè)量所得的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)如圖7 所示。穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)顯示出與經(jīng)典測(cè)量相似的粒度分布， 包括少量細(xì)顆粒的小峰。瞬態(tài)數(shù)據(jù)在此樣品中未顯示出任何其他特征。這些測(cè)量結(jié)果總結(jié)于表2 中。 

圖7. 使用配備Size Sure 自適應(yīng)激光衍射技術(shù)的Mastersizer 3000+ 測(cè)量的LNCA 樣品，分別展示了穩(wěn)態(tài)（左）和瞬態(tài)（右）的結(jié)果。

表2.對(duì)LNCA 樣品進(jìn)行5 次重復(fù)自適應(yīng)衍射測(cè)量的總結(jié)，采用的是Size Sure 自適應(yīng)激光衍射法。 

在添加了玻璃顆粒的樣品中，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)僅在LNCA + G4 和 LNCA + G5 樣品中顯示出玻璃顆粒峰（圖8），這與靈敏度為~100 PPM 的經(jīng)典激光衍射數(shù)據(jù)一致。 

圖8. 采用Mastersizer 3000+ 上的Size Sure 自適應(yīng)激光衍射法對(duì)純LNCA 和加標(biāo)樣品測(cè)得的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。在穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)中，玻璃顆粒峰僅在LNCA+G4 和 LNCA+G5 樣品中可見。在較低濃度下，此峰不可見。 

然而，瞬態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)表明，在LNCA + G2 和 LNCA + G3 樣品中也出現(xiàn)了玻璃顆粒峰值（圖9），但其玻璃顆粒濃度要低得多，低至~10ppm。 

圖9. 使用Mastersizer 3000+ 上的Size Sure 自適應(yīng)激光衍射法測(cè)量的純LNCA 和添加玻璃顆粒的樣品的瞬態(tài)數(shù)據(jù)。在瞬態(tài)數(shù)據(jù)中，除了LNCA + G1 外，純LNCA 和添加玻璃顆粒的LNCA + G2、LNCA + G3、LNCA + G4 以及LNCA + G5 樣品中均可見玻璃顆粒峰。只有純LNCA 和 LNCA + G1 樣品未出現(xiàn)對(duì)應(yīng)玻璃顆粒的峰。 

表3 總結(jié)了所有測(cè)量結(jié)果與檢測(cè)玻璃污染物顆粒靈敏度的關(guān)系。雖然經(jīng)典衍射能夠檢測(cè)到100ppm及以上，但Size Sure 自適應(yīng)衍射能夠檢測(cè)到低至10ppm 的顆粒。Hydro Insight 原則上能夠檢測(cè)到低至1ppm 的顆粒，不過(guò)測(cè)量時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。 

表3. 動(dòng)態(tài)成像（Hydro Insight）、經(jīng)典激光衍射和動(dòng)態(tài)激光衍射（Size Sure）對(duì)低含量大顆粒污染物檢測(cè)靈敏度的總結(jié)