本文隸屬于電池行業(yè)應(yīng)用專題，全文共 4762字，閱讀大約需要 12 分鐘

摘要：隨著電池對能量密度、循環(huán)壽命和安全性的要求日益嚴苛，微米乃至納米尺度的顆粒管控已成為電池制造的核心挑戰(zhàn)。粒徑一致性是決定電池安全、循環(huán)壽命與制造成本的核心變量，傳統(tǒng)離線檢測方式存在數(shù)據(jù)滯后、響應(yīng)遲緩等固有缺陷，難以支撐高比能電芯規(guī)?；圃臁１疚囊訣ntegris旗下的在線監(jiān)控設(shè)備AccuSizer MINI為基礎(chǔ)，系統(tǒng)闡述在線設(shè)備在電池生產(chǎn)流程中的應(yīng)用，為電池良率提升與成本優(yōu)化提供合理方案。

關(guān)鍵詞：在線顆粒監(jiān)測；電池良率；成本優(yōu)化；Entegris；在線控制

電池的電化學(xué)性能與安全性取決于電極材料微觀結(jié)構(gòu)的均勻性，其中顆粒尺寸及其分布是最核心的物性參數(shù)之一。在鎳鈷錳（NCM）三元前驅(qū)體的共沉淀合成過程中，顆粒的成核與生長行為直接影響最終產(chǎn)物的振實密度、比容量及循環(huán)壽命^{[1, 2]}。研究表明，顆粒尺寸的細微變化可能導(dǎo)致振實密度的顯著差異，進而影響電極的壓實密度和能量密度^[3]。其中，材料中大于10μm的顆粒會帶來嚴重的質(zhì)量隱患，這些大顆粒在電極涂布過程中可能導(dǎo)致涂層表面缺陷或厚度不均，影響電極的機械完整性和電化學(xué)一致性^[4]；除此之外，這些顆粒還會穿透厚度僅為10-30μm的電池隔膜，從而引發(fā)內(nèi)部短路、熱失控等嚴重安全事故。

電極漿料是由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑組成的固液懸浮體系，其中顆粒的尺寸與分布直接影響漿料品質(zhì)及電池性能。顆粒粒徑過小雖利于倍率性能，但易團聚導(dǎo)致黏度升高、涂布困難；大顆粒（Large particle counts，LPC）則會造成涂層劃痕、厚度不均，干燥后形成應(yīng)力集中點。導(dǎo)電劑若發(fā)生團聚會破壞導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致內(nèi)阻增大；活性物質(zhì)顆粒過大則接觸電阻增加，過小則副反應(yīng)加劇。大顆粒還會因粘結(jié)劑錨固不足形成弱結(jié)合區(qū)，在循環(huán)中先脫粘并誘發(fā)微裂紋，造成容量衰減。因此，對漿料中顆粒尺寸分布的精準管控，是保障電池性能與安全的關(guān)鍵前提。

長期以來，電池制造業(yè)對顆粒的管控主要依賴離線取樣和實驗室分析，離線監(jiān)測的方法通常需要數(shù)小時才能獲得結(jié)果。這種時間滯后可能會影響大量不合格品的生產(chǎn)，造成原材料與產(chǎn)能的極大浪費。在大規(guī)模電池材料生產(chǎn)中，批次間質(zhì)量波動導(dǎo)致的返工與報廢可占生產(chǎn)成本的相當(dāng)比例。因此，將顆粒檢測從實驗室移至生產(chǎn)線，實現(xiàn)實時、在線的粒度分布監(jiān)控，已成為電池制造業(yè)的必然選擇。

前驅(qū)體是由鎳、鈷、錳、鋁等金屬元素通過化學(xué)反應(yīng)形成的氫氧化物或碳酸鹽混合物，是制造電池材料的關(guān)鍵前體物質(zhì)，通常為黑色或褐綠色的微米級粉末顆粒。前驅(qū)體的振實密度是決定最終材料能量密度的關(guān)鍵參數(shù)之一，而LPC的存在會顯著破壞顆粒體系的堆積均勻性。當(dāng)粒徑分布過寬時，盡管理論上小顆?？商畛溆诖箢w粒間隙中，但若LPC尺寸過大或數(shù)量占比高，則會引起架橋效應(yīng)，導(dǎo)致顆粒間孔隙率上升、整體堆積密度下降。若此時通過監(jiān)控得到粒徑分布均勻、無過大顆粒的前驅(qū)體，可獲得更高的振實密度和壓實密度。當(dāng)前驅(qū)體材料中存在LPC時，其在電極涂布過程中可能導(dǎo)致涂層表面缺陷或厚度不均勻；在電池循環(huán)過程中，這些LPC若從電極基體脫落或發(fā)生破碎，其尺寸可能接近甚至超過商用聚烯烴隔膜的厚度，存在刺穿隔膜、引發(fā)正負極直接接觸從而導(dǎo)致內(nèi)部微短路甚至熱失控的嚴重安全隱患。

圖1-1 電池前驅(qū)體合成過程中顆粒的演化情況^[5]

針對前驅(qū)體顆粒不均可能會造成的振實密度下降、燒結(jié)缺陷、循環(huán)微裂紋乃至隔膜刺穿等一系列問題，AccuSizer MINI FX在線監(jiān)控設(shè)備可以有效監(jiān)測大顆粒情況。通常前驅(qū)體共沉淀反應(yīng)在顆粒濃度較高的體系中進行，AccuSizer MINI FX基于聚焦光束原理（Focused Extinction），檢測范圍覆蓋0.70μm至20μm，且對于高濃度體系而言也可以做到高的準確性及可重復(fù)性。傳統(tǒng)光學(xué)方法在高濃度體系中會因多重散射而使數(shù)據(jù)失真，聚焦光束技術(shù)通過特殊光路設(shè)計，當(dāng)激光光束垂直透過流動樣品池時，顆粒經(jīng)過光感區(qū)域時會形成遮擋，使得光信號強度衰減，檢測器檢測到光強信號的變化。

圖1-2 AccuSizer MINI FX

a：AccuSizer MINI FX設(shè)備一覽圖；b：Focused Extinction

在大規(guī)模電池材料生產(chǎn)中，引入在線顆粒監(jiān)測技術(shù)可將異常批次的檢出與干預(yù)時間從數(shù)小時縮短至數(shù)分鐘，缺陷批次數(shù)量相較于傳統(tǒng)模式將顯著降低并即使將問題反饋。同時，自動化的在線監(jiān)測替代了人工取樣、稀釋、檢測的全流程，降低了實驗室成本與人為誤差。

圖2-1 不同溫度下不同方向受力狀態(tài)和顆粒半徑的變化關(guān)系

顆粒沉降行為遵循斯托克斯定律，粒徑越大則沉降越快，在漿料儲存或輸送中，不同質(zhì)量的顆粒將造成固含量分層，使上層極片容量偏低、下層極片應(yīng)力過大，這種現(xiàn)象將縮短漿料可使用時間，影響生產(chǎn)連續(xù)性。若漿料中混入尺寸接近隔膜厚度的顆粒或團聚物，在電池震動、擠壓或長期循環(huán)后可能刺穿隔膜引發(fā)內(nèi)部微短路，甚至局部過熱情形下觸發(fā)熱失控。

針對上述問題，AccuSizer MINI LE基于單顆粒傳感技術(shù)（SPOS）的原理，通過光阻法與光散射法結(jié)合，可精確檢測0.5µm-400µm范圍內(nèi)的顆粒，同時自動稀釋系統(tǒng)可監(jiān)測高濃度樣品。在涂布機前的漿料管路上安裝在線顆粒計數(shù)器監(jiān)測漿料，可在缺陷產(chǎn)生前捕捉到異常顆粒信號，例如，當(dāng)監(jiān)測到>30µm的大顆粒計數(shù)突增時，系統(tǒng)可判定為過濾芯破損或分散設(shè)備異常，立即觸發(fā)報警并自動切換備用過濾器，避免缺陷極片流入下游工序。

圖2-2 AccuSizer MINI LE監(jiān)測原理

電池制造過程中，顆粒尺寸及其分布的精準管控是保障最終性能一致性與安全性的核心技術(shù)前提。本文系統(tǒng)分析了顆粒在材料前驅(qū)體合成與電極漿料制備兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的影響。在前驅(qū)體階段，LPC的存在會破壞顆粒堆積均勻性，降低振實密度，并在后續(xù)燒結(jié)過程中將結(jié)構(gòu)缺陷傳遞至后續(xù)材料；在漿料制備階段，顆粒的尺寸與分布直接決定漿料流變特性、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)完整性及機械穩(wěn)定性，異常顆粒會導(dǎo)致涂布缺陷、內(nèi)阻升高、活性物質(zhì)脫落乃至隔膜刺穿等安全性問題。傳統(tǒng)離線檢測方法存在數(shù)小時的時間滯后，難以滿足規(guī)?；a(chǎn)對實時質(zhì)量控制的需求。Entegris的在線監(jiān)控設(shè)備基于聚焦光束技術(shù)（Focused Extinction）與單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)（SPOS）的原理，可將含有異常顆粒的批次檢出與干預(yù)時間縮短至分鐘級，從而降低廢品率、提升材料利用率，并從根本上保障電池的生產(chǎn)良率并控制成本。

參考文獻

[1] Liu, W., Oh, P., Liu, X., Lee, M. J., Cho, W., Chae, S., ... & Cho, J. (2015). Nickel-rich layered lithium transition-metal oxide for high-energy lithium-ion batteries. Angewandte Chemie International Edition, 54(15), 4440-4457.

[2] Kim, J., Lee, H., Cha, H., Yoon, M., Park, M., & Cho, J. (2019). Prospect and reality of Ni-rich cathode for commercialization. Advanced Energy Materials, 9(6), 1802264.

[3] Li, W., Erickson, E. M., & Manthiram, A. (2020). High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based automotive batteries. Nature Energy, 5(1), 26-34.

[4] Wood, D. L., Li, J., & Daniel, C. (2015). Prospects for reducing the processing cost of lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 275, 234-242.

[5] ScienceDirect. (2025). Synthetic control guided by growth mechanism insights enable tailored precursors for layered oxide cathodes. Chemical Science, 16(34), 15714-15722.

[6] Qi J, Bolag A, Nan D, Zhu X, Bao T, Li W, Li L. From Inert Spacer to Functional Conductor: A Paradigm Shift in Grinding Aids Enables Dual-Channel Conductive Networks for High-Performance LiFePO Cathodes. Langmuir. 2025 Dec 9;41(48):32922-32933.

[7] Zhang W, Li X, Wang Y, et al. Analysis of mechanical failure at the interface between graphite particles and polyvinylidene fluoride binder in lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2020, 450: 227-236.