磷酸鐵鋰中金屬異物的檢測與分析
01【金屬異物對鋰電池安全的危害】
磷酸鐵鋰正極材料具有熱穩(wěn)定性優(yōu)異、循環(huán)壽命好、電化學穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點，成為動力電池領域最理想的正極材料之一。但當磷酸鐵鋰材料中引入金屬雜質時，會對電池的壽命及安全性有嚴重損害。
常見的金屬異物包括：鐵，鎳，銅，鋅，鉻等。金屬異物在電池化成階段會先在正極氧化再到負極還原，當負極處的金屬單質累積到一定程度會形成枝晶，導致隔膜穿孔，造成電池內部短路，提高電池的自放電率，嚴重時甚至會引起電池起火、爆炸，影響電池的安全性能。
02【金屬異物來源以及如何管控】
（1）來自于燒結過程中原材料生成的雜質
在磷酸鐵鋰（LiFePO）的合成過程中會伴隨生成少量的γ-FeO、FeP、FeP 及 FePO 等雜質，單質鐵也會在還原性氣氛下在 500～700℃ 經 Fe 的還原而生成。這些雜質的存在會降低材料的比容量和能量密度雜質鐵在電解液中溶解等副反應會影響電池的使用壽命和安全性能。
（2）來自于制造過程中產線和環(huán)境中的異物
生產線中金屬異物的來源主要有以下兩個方面：一是設備和物料直接接觸引入（直接引入）；二是空氣中的金屬飛散物進入材料中引入（間接引入）。下面詳細分析一下兩種引入方式的區(qū)別：
a. 直接引入
正極材料生產線最主要的工序有：混合，焙燒以及粉碎，涉及到的設備主要有混合機，輥道窯以及粉碎機。一般而言，設備上有金屬部件直接與物料接觸的都有可能造成直接引入風險。其中，和物料有連續(xù)的相對運動的部件產生磨損的可能性更大，為紅線區(qū)域，需要重點防護；和物料無連續(xù)的相對運動的部件，也需要采取必要的防護措施。
b. 間接引入
間接引入的來源更加復雜，空氣中的飛散物有可能來自設備零部件磨損產生的碎屑，也有可能由外界環(huán)境引入，甚至有可能由人員引入，因此管控起來就更加困難。
正極材料生產線設計中對金屬異物的防護有幾項通用的規(guī)則：生產線所有設備與物料直接接觸的部分必須要求為非金屬材質，或者在金屬基材表面進行噴涂涂層進行防護。
為了防止外界環(huán)境中的異物進入正極材料車間中，一般從以下幾個方面來進行管控：
那么，金屬異物到底該如何檢測呢？飛納 Phenom ParticleX 以掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎，可以全自動對金屬雜質顆粒進行快速識別、分析和分類統(tǒng)計，為客戶的研發(fā)以及生產提供快速、準確和可靠的定量數(shù)據支持。
其工作原理為：通過背散射成像的明暗襯度識別顆粒，進而對顆粒進行能譜成分分析，并根據顆粒形貌和成分信息對其進行自動分類。
如下表所示為使用篩分法收集樣品，并使用 Phenom ParticleX 測試磷酸鐵鋰中金屬異物的結果�？梢钥闯�，在篩分法中，磷酸鐵鋰主材占據了絕大部分顆粒，其平均氧含量為 44.2%，而磷化鐵和氧化鐵的含量較少，磷化鐵中氧含量較少，僅為 10.6%，而氧化鐵中并不含有磷的成分。
磷酸鐵鋰正極材料具有熱穩(wěn)定性優(yōu)異、循環(huán)壽命好、電化學穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點，成為動力電池領域最理想的正極材料之一。但當磷酸鐵鋰材料中引入金屬雜質時，會對電池的壽命及安全性有嚴重損害。
常見的金屬異物包括：鐵，鎳，銅，鋅，鉻等。金屬異物在電池化成階段會先在正極氧化再到負極還原，當負極處的金屬單質累積到一定程度會形成枝晶，導致隔膜穿孔，造成電池內部短路，提高電池的自放電率，嚴重時甚至會引起電池起火、爆炸，影響電池的安全性能。
金屬異物累積造成隔膜穿孔過程示意圖
金屬銅導致電池短路（a）掃描電鏡圖像 （b）各元素的分布
02【金屬異物來源以及如何管控】
（1）來自于燒結過程中原材料生成的雜質
在磷酸鐵鋰（LiFePO）的合成過程中會伴隨生成少量的γ-FeO、FeP、FeP 及 FePO 等雜質，單質鐵也會在還原性氣氛下在 500～700℃ 經 Fe 的還原而生成。這些雜質的存在會降低材料的比容量和能量密度雜質鐵在電解液中溶解等副反應會影響電池的使用壽命和安全性能。
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| 磷酸鐵鋰-1 | 磷酸鐵鋰-2 | |
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| 磷化鐵-1 | 磷化鐵-2 | |
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| 氧化鐵-1 | 氧化鐵-2 |
（2）來自于制造過程中產線和環(huán)境中的異物
生產線中金屬異物的來源主要有以下兩個方面：一是設備和物料直接接觸引入（直接引入）；二是空氣中的金屬飛散物進入材料中引入（間接引入）。下面詳細分析一下兩種引入方式的區(qū)別：
a. 直接引入
正極材料生產線最主要的工序有：混合，焙燒以及粉碎，涉及到的設備主要有混合機，輥道窯以及粉碎機。一般而言，設備上有金屬部件直接與物料接觸的都有可能造成直接引入風險。其中，和物料有連續(xù)的相對運動的部件產生磨損的可能性更大，為紅線區(qū)域，需要重點防護；和物料無連續(xù)的相對運動的部件，也需要采取必要的防護措施。
b. 間接引入
間接引入的來源更加復雜，空氣中的飛散物有可能來自設備零部件磨損產生的碎屑，也有可能由外界環(huán)境引入，甚至有可能由人員引入，因此管控起來就更加困難。
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| 不銹鋼磨屑-1 | 不銹鋼磨屑-2 |
正極材料生產線設計中對金屬異物的防護有幾項通用的規(guī)則：生產線所有設備與物料直接接觸的部分必須要求為非金屬材質，或者在金屬基材表面進行噴涂涂層進行防護。
為了防止外界環(huán)境中的異物進入正極材料車間中，一般從以下幾個方面來進行管控：
- 車間門窗密閉，安裝新風系統(tǒng)，新風經過高效過濾器過濾后再進入車間內，新風量略大于排風量，車間保持+3 Pa~+5 Pa 的微正壓；
- 車間大門采用雙層連鎖結構，內置風淋室；
- 車間內采用專用的轉運工具或車輛，外部轉運工具或車輛禁止進入車間內；
- 外來人員進出車間需更換服裝和鞋子，禁止攜帶手表、鑰匙、硬幣等金屬物品進入車間內；
- 車間內地面采用永磁磁棒定期進行除磁；
- 制定相應的規(guī)章制度和點檢表，定期檢查新風濾網更換情況；
- 在車間放置專用的器皿，定期監(jiān)測環(huán)境中的飛散物水平，如有異常及時進行調查整改。
那么，金屬異物到底該如何檢測呢？飛納 Phenom ParticleX 以掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎，可以全自動對金屬雜質顆粒進行快速識別、分析和分類統(tǒng)計，為客戶的研發(fā)以及生產提供快速、準確和可靠的定量數(shù)據支持。
其工作原理為：通過背散射成像的明暗襯度識別顆粒，進而對顆粒進行能譜成分分析，并根據顆粒形貌和成分信息對其進行自動分類。
如下表所示為使用篩分法收集樣品，并使用 Phenom ParticleX 測試磷酸鐵鋰中金屬異物的結果�？梢钥闯�，在篩分法中，磷酸鐵鋰主材占據了絕大部分顆粒，其平均氧含量為 44.2%，而磷化鐵和氧化鐵的含量較少，磷化鐵中氧含量較少，僅為 10.6%，而氧化鐵中并不含有磷的成分。
金屬異物的統(tǒng)計結果（篩分法）
金屬異物的平均成分（篩分法）
自動獲取的磷化鐵的詳細信息
自動獲取的氧化鐵的詳細信息
