钠电正负极材料导电性能及压实密度测试

1.1采用PRCD3100（IEST-元能科技）对种四种普鲁士蓝类（PB-1/PB-2/PB-3/PB-4）材料及四种硬碳类（HC-1/HC-2/HC-3/HC-4）材料进行导电性能和压实密度测试，其中普鲁士蓝类材料选用两探针模式进行测定，硬碳类材料选用四探针模式进行测定，测试设备如图2所示。

测试参数：施加压强范围10-200MPa，间隔20MPa，保压10s。

       

       

       

普鲁士蓝（PB）及其类似物具有由三维框架结构构成的通道，可便于钠离子嵌入脱出，是一种理想的钠离子电池正极材料。该材料能够提供 170m Ah/g的理论比容量，且具有良好的循环稳定性。然而，其在电化学测试当中常常表现出的较低的循环稳定性和倍率性能限制其在钠离子电池当中的实际应用。影响其电化学性能的原因主要是因为在材料的晶体结构中出现大量的空位和配位水占据了许多电化学反应位点，降低材料比容量。同时空位的存在还会因钠离子的迁移使结构发生塌陷，而结构中的配位水则降低了材料的电导率，实际应用中研究人员通过对其改性来优化其物理学及电化学性能，材料端电子电导性能评估可作为一种有效的评估手段。如图5为四种普鲁士蓝类材料电阻率及电导率的测试结果，其中PB-2是在PB-1基础上的改性，PB-4是在PB-3基础上的改性，从电阻率测试结果上看（PB-1、PB-3）>（PB-2、PB-4），改性后的两种材料导电性能更好。

图5.（A）四种普鲁士蓝类材料的电阻率测试结果

图5.（B）四种普鲁士蓝类材料的电导率测试结果

锂离子动力电池在制作过程中，压实密度对电池性能有较大的影响。压实密度与比容量，效率，内阻，以及电池循环性能有密切的关系。如图6为四种普鲁士类材料的压实密度测试结果，PB-1>PB-3>PB-4>PB-2，当前测试条件下改性后的两种材料压实密度并没有表现得更优，可见实际研发工作中需要结合多种手段对材料整体性能进行综合评估，以便最终获得整体性能更优的材料。

图6. 四种普鲁士蓝类材料的压实密度测试结果

硬碳材料被认为是发展钠离子电池最具潜力的负极材料。研究人员通过控制硬碳材料的形貌，在硬碳材料中引入孔结构或构建三维内联结构提高其倍率性能。通过控制碳化工艺的不同调整硬碳材料的微观结构，尤其是类石墨微晶结构，改善钠离子插入的热动学过程，提高材料的储钠容量^[4]。本文选取的四种硬碳材料电阻率及电导率测试结果如图7A、B所示，从电导率测试结果上看，HC-1>HC-4>HC-2>HC-3，即HC-1表现出更好的导电性能。

图7.（A）四种硬碳类材料的电阻率测试结果

图7.（B）四种硬碳类材料的电导率测试结果

四种材料的压实密度测试结果如图8所示，从压实密度测试结果上看HC-4>HC-1>HC-2>HC-3，四种材料间有明显区分；材料间导电性差异及压实密度差异与其工艺、晶体形貌、内部结构和表面状态等均有相关性。

图8. 四种硬碳类材料的压实密度测试结果

本文采用粉末电阻&压实密度（PRCD3100）设备检测钠离子电池正极材料普鲁士蓝类及负极材料硬碳类的导电性能及压实密度差异，测试结果显示不同材料间的差异能够被明显区分，可作为一种有效的材料物理学性能检测手段，助力研发人员在材料层级快速评估其导电性能差异及压实密度差异。

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[4] 吴俊达, 赵亚彬, 张福明. 硬碳材料作为室温钠离子电池负极材料研究进展[J]. 山东化工, 2019, 48(9):3.