前言

　　锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。随着能源的紧缺和世界环保方面的压力，锂离子电池被广泛应用于电动车行业，从一开始的电动摩托车、三轮车，到现在广泛普及的新能源小汽车，再到未来计划全「面取代燃油公交车的新能源ξ　公交车，新能源车⊙以其无污染、低噪声、节能、经济等特点，慢慢的走进了人们的视线，并在国家政策的大力推动下，逐步取代燃油车，成为人们主要的代步工具。随着对新能源车的需求不断增加，以及对新能源车性能的要求不断提高，对高性能锂离子电池的需ω求也不断增大，锂离子电池的研发和生产单位如雨后春笋般大量涌现出来。

　　锂离子电池有四大关键材料：正极、负极、隔膜和◆电解液。其充放电原〒理如下图所示：

　　其中，正极︼材料是决定锂离子电池性能和成本的重ω　要因素，也☆是制约电池容量进一步提高的关键因素；是电池能量密度提高的关键技术突破方向，从磷酸铁锂（LFP）、三元到高镍三元，电池能量密度不断提升。出于对材料能量密度、循环寿命、成本以及安全性的考虑，目前，最热门的正极材料主要是磷酸铁锂（LFP）和镍钴◆锰酸锂（NCM）三元电池材料。

　　对锂离子电池正极材料研发和生产过Ψ 程中的性能表征，是确保锂离子电池最终性能必不可少的重要过〓程。材料的密度测试，正是需要考察的一个重要指标。对于研发人员来说※，提高正极材料的□真实密度，意味着可以提高锂离子电池的能量密度，提高电池的性能；而在生产过▃程中，保证︾正极材料真密度指标稳定，是确保锂离子电池产品↘稳定的重要操作。

　　本文中，我们使用了美国麦克仪器公司的AccuPyc II真密度检测仪，对镍钴锰酸锂（NCM）三元电池材料的密度进行了表征。AccuPyc II采用气体置换法原理，利用He作为气体介质，置换材料空隙及孔隙中的空」气，获得材料的实际体积数据，并根据〇测试样品的质量，计算出材料的真实密度。气体测密度法是世界公∞认的测骨架体积和密度的最可靠的技术之一。该技术采用气体置换法测试出体积，所用气体为惰性气体，如氦气或氮气，所以能够达到无损∑　检测的状态。并且，由于气体分子比较小，所以测得的真密度比传统的阿基米德浸液法更准确，重复性更█高。下图是仪器的工作原理图，样品在样●品仓中形成密封环境，打开1阀，气体进入样品仓，达到一定压力后，阀门关闭，待样品与气体达到平衡后，压力传感器读取此△时压力P1。之后2阀打开，气体则会从样品仓扩散进入扩展仓，待两个仓内的气体和样品达到平衡后，压力传感器读取此时压力P2。之后基于理想气体状态方ξ程PV=nRT，换算出材料的真实体积V，代入ρ=m/V，计算出材料的真实密度。

　　测试原理图

　　仪器外观图

　　实验步骤：

　　1. 清洁样品池：先用水清洗，用柔软的纱布或纸巾擦拭，亦可用乙醇进行冲洗，常温晾干或90℃烘干。

　　2. AccuPyc II仪器开机：测试前，先打开AccuPyc II主机及操作软件进行主机预【热，预热时间『至少30分钟。

　　3. 称量：先把10cc的样品杯置于万分之一天平上，读数稳∩定后，去皮。将样品杯拿出装入样品，样品体积大概占据◇样品杯体积80%-90%。再次进行称量，获取样品实际质量，并记录下来。之后把样品杯放入到仪器样品∴仓中。

　　4. 设定测试条件：设定测试条件中最重要的参数是质量、压力和测◣试次数。质量决定了测试结果的准确性，一定要︼输入正确的质量。压力确定了结果的正确性，需要采用跟参考文件/标准/参考文献相同的压力，才能获得具有可比性的数据。测试次数决定着测试时间，测试次数越多，测试↑时间越长。本实验采用的√测试条件为：测试压力P=19.5 psi；吹扫次数10次；测试次数10次。

　　5. 运行测试

　　6. 报告数据

　　测试结果及分》析：

　　经过测试，我们得到了如下结果：

　　NCM的体积平均值♂为3.3577 g/cm3，标→准偏差为0.0010 g/cm3；密度平均值为4.5769 g/cm3，标准偏差为0.0014 g/cm3。

　　通过密度和体积表格可查看每一次循环测试的结果。

　　从上面■的表格中可以看出，材料的真实体积都在3.35 cm3范围内，仅在小数点后第╱三位出现浮动，计算得出的密度约为4.57 g/cm3，同样仅在小数点后第三位出现※浮动。这个变化可以说非常小了。

　　接下来我们以体积对循环次∞数做图，并以平均体积做标准线，可以得到下图所示的结果。图中红色的圆点是十次的体积测试值，中间红色的水平线为体积平均值。通过这个图不难看出，十次测试的体积结果是围绕着体积平均值↙波动，非常稳定，并未出现持续走低等异常现象。该图中的绿色曲→线是仪器内部的温度变化曲线。从图中可以看出，整个∑测试过程中，仪器内部温度仅由26.76℃增加到26.98℃，过程中所到达的最高温度是27℃。整个测试过程中，最大温度⌒浮动不超过0.3℃。并且』在温度浮动到27℃时，仪器自动散热，将温度稳定下来。

　　用质量除以体积，即可得到密度。于是，可使用密度对循环次数做图。从图㊣　中可以发现，密度︽曲线的趋势跟体积曲线相符，仅显示出180°翻转的关系。

　　结论

　　本文作者使用〗了美国麦克仪器公司的AccuPyc II系列全自动密度仪测试了∏锂离子电池正极材料NCM的真实密度。测试过程操作简单，快速，可精确的测试及计算电池材¤料的真实体积和密度。NCM的体积平均值为3.3577 g/cm3，标准偏差为0.0010 g/cm3；NCM的々密度平均值为4.5769 g/cm3，标准偏差为0.0014 g/cm3，测试结果的仅在小数点后第三位浮动，非常稳定。所得的真密度结果可用作①材料的研发分析以及生产质量控制指标。