锂电池检测之磷酸铁锂材料的表面能量状态测试原理以及数据分析

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固体表面自由能是形成新固体表面所需的能量。与液体相比，固体表面原子的移动性差，导致其表面张力和表面能不同。固体表面能包括弹性能，并且因表面原子的排列差异，其值可能随区域变化。测量固体表面能需多次取样以确保准确性。

 

表面能测试原理

磷酸铁锂（LiFePO₄）材料的加工性能受其表面能量状态影响，这种状态可以通过表面自由能来衡量，它由色散分量和极性分量组成。研究发现，通过改变热解条件，可以调节这两种分量的比例。当色散分量与极性分量的比值（y_p）较高时，材料更容易与聚偏氟乙烯结合，并且与铝箔的粘附性更强，从而提升其加工性能。相反，当y_p值较低时，材料的加工性会降低，粘附性不足，可能导致材料脱落。

在固体与液体的界面张力研究中，可以通过测量液体的饱和蒸汽平衡时的表面张力（y_sv）和固体与液体的表面张力（y_sl）来估算固体的表面能。界面张力（s）是固体与液体间的相互作用力，可以通过以下公式表示：

其中，θ是接触角，一个可测量的数值。现代理论提供了多种估算固体表面能的方法，包括WORK方法、Wu方法、YGGF方法、酸碱理论和Schultz方法等。Wu方法特别适用于低能体系，其计算公式如下：

γ=4xγ_r

将界面张力公式与Wu方法的公式联立，可以得到：

(γ_d+γ_p)(1+cosθ)=4xγ_r

这里，γ_d和γ_p分别表示色散作用和极性作用的表面能分量。Wu方法中，表面能分量的关系为：

γ=γ_d+γ_p

通过使用两种或以上的测试液测量接触角，可以利用Wu公式计算固体的表面能。实验中，接触角通过表面张力测量仪测量，然后使用Wu公式结合测试液的接触角数据来计算磷酸铁锂样品的表面张力。测试液包括内酮、乙醇、乙二醇和甲酰胺。通过这些数据，可以计算出磷酸铁锂的极性分量和色散分量，它们的和即为磷酸铁锂的总表面能。

 

表面能测试数据分析

表1列出了用于测试粉末接触角的探测液的表面张力及其分量的值。

表1-图片源自网络

 

表2为不同烧结温度和时间的LiFePO₄/C粉末接触角的实验数据。

表2-图片源自网络

 

表3是根据LiFePO₄/C粉末接触角的实验数据计算出粉末表面自由能。

表3-图片源自网络

 

表4-图片源自网络