INDUSTRY APPLICATIONS
应用文章
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单颗粒力学性能测试系统
对电池材料颗粒测试压溃强度，可用于评估材料的耐压性，指导辊压工艺，且力学强度高的材料，后续的循环稳定性也会较好。 测试对象：锂电池正负极材料 测试颗粒尺寸：单颗粒粒径大小：5~50μm
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单颗粒电化学性能测试系统
高质量工况下动态光学成像，以接近光学衍射极限的分辨率纵览真实电池体系内部动态反应过程；超长时间连续稳定拍摄，确保在数以天计的充放电测试过程中测试数据前后定量可比；多种电化学性能测试兼容，反应活性、动力学常数、相变电位、倍率性能、空间异质性分布……多维指标，一机全测。
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声学共振混合仪
采用低频声共振混合技术，通过精密控制产生特定频率（通常在55-65Hz区间）的高强度声波振动。这种振动使混合容器内的锂电材料（无论是电极浆料、固态电解质粉末还是高粘度复合体系）作为一个整体发生剧烈的非线性“沸腾”运动，实现宏观对流与微观声流的完美耦合。60Hz配合可高达100g的加速度强度（相当于火箭推进力的5倍），既能激发物料内部的微观涡流（微声流），又避免高频导致的空化损伤。
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粉末电阻率&压实密度仪
结合高精度压力控制、厚度和电阻测试系统，四探针和两探针法自由选择，精准测试粉末的电阻率和压实密度，可用于材料研发以及粉末物料批次稳定性监控。 应用：锂（钠）电正负极粉末（LCO/NCM/LFP/Graphite等）、导电剂、固态电解质粉末、其他微米级粉末材料等。
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粉末压实密度仪
粉末压实密度的测定一方面可作为有效指标监控粉末材料批次间差异，另一方面可作为研发材料评估及工艺优化的有效手段。应用：锂（钠）电正负极粉末（LCO/NCM/LFP/Graphite等）、导电剂、固态电解质粉末、其他微米级粉末材料等。
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浆料电阻仪
采用上中下三对电极测试浆料不同垂直高度的电阻率，评估不同配方浆料的导电性和随静置时间的沉降性能，助力研发进行浆料配方开发和搅拌工艺稳定性监控。 应用：锂（钠）电正负极浆料和导电剂浆料的材料评估、配方评估、沉降性能评估。
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多维度固态电解质测试系统
可用于材料粉末层级的综合测试。系统含有氛围保护系统、加压系统、压力测量系统、厚度测量系统、压力锁紧系统、电化学测试系统与一体化软件，可以实现在氛围保护下原位测试固态电解质或电池在不同受压过程中的压实密度与电化学性能变化。
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固态电池高通量力电耦合测试系统
包含温控系统、电化学性能测试与压力测试系统，可实现RT~80℃条件下的模具电池与软包电池的加压测试，载物托架层采用抽拉式设计，操作方便，可帮助客户实现不同温度下、压力与电化学测试的一体化便捷测试。
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极片电阻仪
结合高精度压力控制、厚度和电阻测试系统，采用双平面可控压圆盘电极电阻法测试极片的整体穿透内阻，包含涂层电阻、涂层与集流体接触电阻以及集流体电阻的总和，可用于极片配方开发和工艺稳定性监控。 应用：材料评估、工艺评估、电芯失效分析
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极片柔韧性测试系统
循环测试：可实现单次加压或多次往返测试； 双向测试：测试机构可90℃翻转,支持水平施压以及垂直施压两种测试场景； 离位工装：搭配裁片机和工装,保持极片制样一致性,防止因人员操作导致数据异常； 点检功能：配置第三方计量的标准厚度块&砝码,可定期对设备进行点检。
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极片迂曲度测试仪&隔膜离子电导率测试仪
创造性解决方案： 1. 通过测试极片对称电池的 EIS 来计算极片的迂曲度； 2. 装配简单，自动化测试与分析，简化操作步骤，提高测试效率； 3. 四通道同步测试。
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极片重量法浸润检测设备
制程工艺评估：评估涂布速度、冷压速度等工艺参数变化后对极片浸润能力的影响； 材料浸润性能评估：评估粉料、binder等材料更换后对极片浸润性能的影响； 电解液浸润性能：评估电解液配方改变后对极片浸润性能的影响。
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裸电芯浸润重量测试仪
面向锂电池卷芯电解液浸润性能评价而开发，本设备显著提升了测试过程的一致性与重复性。 1、自动举升平台与实时称重联动减少了人为操作差异对测试结果的影响； 2、恒定液位设计有效抑制了浮力变化带来的系统误差，使所获得的质量/时间曲线更真实地反映卷芯自身的浸润行为。
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原位产气体积监控仪
多层级产气测试：材料产气 → 单层叠片电池产气 → 小软包电池产气 → 铝壳电池产气（方形或圆柱）；多个温度点调节：常温测试 → 高低温测试（RT~85℃水浴控温）；多角度产气分析：产气体积 → 产气气压 → 产气成分分析
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EOL电芯瞬时气压测试系统
可用于测试拆解 EOL 电芯瞬时气压测试以及异常电池气压测试，反馈电池的瞬时最大气压值。采样频率 :50ms；传感器精度可达 0.3%F.S；含测试、显示、保存数据功能一体；无需插电使用，可对该仪器进行充电。
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电化学性能分析仪
支持电化学阻抗谱EIS，多扫速循环伏安法（CV），线性扫描伏安法（LSV），GITT/PITT/CA/CP测试。支持寿命预测基准数据，精准库伦效率，电池自放电，材料微小副反应测试。电压&电流精度高达0.01%；高达纳安级别的电流控制。
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钠离子层状氧化物正极材料在空气中的劣化行为评估
2026-03-31
前言
随着新能源市场规模和需求的不断扩大和应用场景不断丰富，钠离子电池凭借钠资源储量丰富，成本低廉，在大规模储能、低速电动车、两轮电动车等领域展现出巨大的潜力。随着产业链不断成熟和产能逐步释放，钠离子电池有望成为新能源产业降本增效的重要力量。在追求高能量密度的技术发展趋势下，层状氧化物正极材料因其较高的克容量、成熟的制备工艺以及优异的加工性能，正迎来快速发展，被广泛认为是当前最具产业化推进潜力的技术路线。
与锂离子电池不同，钠离子层状氧化物正极面临一个关键挑战——空气不稳定性。2024年，中国科学院物理研究所与燕山大学团队在《Science》上发表研究，揭示了钠离子层状氧化物正极材料在空气中的失效机制，主要包括酸降解和氧化降解两种路径，其中水是连接这两类降解过程的关键介质[1]。由于对空气极为敏感，层状氧化物在暴露于空气中数小时内便会发生结构退化，导致容量损失、极片制备困难以及电化学性能下降等一系列问题，严重制约了该类材料的实际应用与产业化进程。
为推动层状氧化物正极材料在钠离子电池领域中的产业化和规模化应用，元能科技推出一系列表征仪器，从粉末到极片等不同层级，实现对层状氧化物正极材料在空气中劣化行为的快速、定量评估。
1、测试部分
1.1 实验样品
取等量NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（NFM111）分别置于手套箱（H2O<0.01 ppm，O2<0.01 ppm）和恒温恒湿试验箱（相对湿度RH=80%，温度30 ℃）中存储48 h，后者存储完毕后置于真空干燥箱100 ℃干燥6 h，分别命名为NFM111和NFM111-air。
1.2 实验仪器
1.2.1 结构和形貌表征：X射线衍射仪，扫描电子显微镜。
1.2.2 粉末电阻率表征：元能科技PRCD粉末电阻率&压实密度仪（图1a）。取样量：0.6 g。测试模式为变压模式，压强20-220 MPa，步进20 MPa，保压10 s。
1.2.3 极片电阻率表征：元能科技BER2500极片电阻仪（图1b）。测试模式为定压模式，压强25 MPa，保压10 s。
2、结果与讨论
2.1 粉末样品的结构和形貌表征
首先采用XRD和SEM对NFM111和NFM111-air两种样品进行表征。如图2a所示，手套箱中存储的样品NFM111呈现O3型晶体结构，而在空气中存储后，样品的层状晶体结构已完全坍塌。相应的SEM图像（图2b）表明NFM111在RH=80%下存储后，表面生成残碱，二次颗粒产生裂纹，甚至部分二次颗粒直接散开。这是由于在酸降解失效中，由于Na+/H+交换和局部H+富集导致材料内部局域内应力的产生和积累，进而诱发层间裂纹和位错生成[1]。这些缺陷进一步扩展并贯穿整个二次颗粒，最终造成颗粒解体。
2.2 粉末电阻率测试
通过对NFM111和NFM111-air两种样品的粉末电阻率测试发现，随着压强的增加，两种材料的粉末电阻率都随之降低，这是由于压强增大使粉末颗粒间的接触更加紧密，从而提升了电子导电性。但是在空气中存储后，NFM111-air的粉末电阻率比NFM111高约2~3个数量级。这是由于层状氧化物在空气中暴露会和空气中的H2O、CO2和O2等组分反应，生成Na2CO3、NaHCO3、NaOH等表面残碱。这些残碱具有电子绝缘特性，显著降低了材料的电子电导率[2]。因此层状氧化物原材料的存储条件会显著影响其本征性质。采用元能科技PRCD粉末电阻率&压实密度仪，可快速从源头评估材料的粉末电阻率与压实密度，从而判断其是否适用于后续生产流程。
为了探究钠离子层状氧化物正极材料所用氢氧化物前驱体的存储条件对后续烧结所得材料性能的影响，本研究将前驱体Ni1/3Fe1/3Mn1/3(OH)2置于相对湿度为80%、温度为30 ℃的环境中进行空气存储实验。随后，分别采用未经存储和经过存储的前驱体进行烧结，并对所得两种正极材料进行了粉末电阻率测试。如图4所示，即使前驱体在存储后经过干燥处理，其在高温高湿环境下的暴露仍会对最终烧结产物的电阻率产生显著影响。这一现象可能归因于氢氧化物前驱体具有强碱性，易与空气中的H2O和CO2反应生成碳酸盐等副产物；同时其较强的吸湿性也会导致表面状态发生变化，从而对后续烧结所得材料的性能产生一定影响[3]。
2.3 极片电阻率测试
在极片层级，空气不仅会影响活性材料本身的结构与性质，还会显著影响极片中各组分的导电接触。对于空气稳定性较差的样品，长时间暴露于空气组分中可能导致极片电阻升高，从而影响后续电化学性能。为评估这一影响，本研究采用元能科技BER系列极片电阻仪，直接获取极片压实密度与电阻之间的对应关系，进而实现对样品空气劣化行为的定量评估。
我们将前文所述的分别在手套箱和恒温恒湿试验箱中存储的样品NFM111和NFM111-air与粘结剂、导电剂和NMP混合搅拌均匀后，涂覆在集流体上，烘干后经过辊压制得电极极片，并采用极片电阻仪对其电阻率进行测试。结果显示，由于导电剂的加入，极片的电阻率相较于相应的粉末样品显著下降。然而，由空气中存储后的NFM111-air制备得到的极片，其电阻率仍低于由NFM111制备的极片，表明粉末电阻率与极片电阻率具有一致的变化趋势。
2.4 电化学性能测试
为探究空气存储对钠离子层状氧化物正极电化学性能的影响，将由NFM111和NFM111-air粉末制得的极片组装半电池进行电化学性能测试。在80%相对湿度下存储48 h后，材料的初始比容量发生不可逆损失，其电化学性能衰减与粉末本征结构在空气中的劣化行为相对应。
3、总结
本研究采用元能科技PRCD粉末电阻率&压实密度仪与BER2500极片电阻仪，系统探究了钠离子层状氧化物正极材料的空气劣化行为与电阻率之间的内在关联。该工作为钠离子电池上游原材料的可靠性评估提供了有效的技术手段，有助于从材料层级规避因空气劣化引发的生产风险及电化学性能衰减，显著降低后续电池制造与应用环节的潜在隐患。
4、参考文献
[1] Yang, Y., Wang, Z., Du, C., et al.: Decoupling the air sensitivity of Na-layered oxides. Science, 385, 744–752 (2024).
https://doi.org/10.1126/science.adm9223
[2] Yuan, X., Guo, Y., Gan, L., et al.: A Universal Strategy toward Air‐Stable and High‐Rate O3 Layered Oxide Cathodes for Na‐Ion Batteries. Adv. Funct. Mater., 32, 2111466 (2022).
https://doi.org/10.1002/adfm.202111466
[3] Zhang, R., Yang, S., Li, H., Zhai, T., Li, H.: Air sensitivity of electrode materials in Li/Na ion batteries: Issues and strategies. InfoMat, 4, e12305 (2022).
https://doi.org/10.1002/inf2.12305
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