使用 GranuPack 测量粉末电导率

2026-04-07

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引言

电导率是材料传导电流的能力。对于固态金属，这种电导率通常很高。然而，当材料呈粉末形态时，其电导率通常会显著降低，并且无法从固态的电导率预测。因此，有必要测量粉末形态下的电导率。

粉末的电导率在许多应用领域都备受关注。由于它高度依赖于颗粒表面的化学性质和这些颗粒的排列方式，电导率的变化可以证明颗粒氧化、吸湿或粉末内部结构的任何变化。粉末的电导率在电池制造领域尤其有用。实际上，电极需要具有良好的导电性，以便在电池充电或放电时传输电子，这直接取决于原始粉末材料的电导率。因此，在生产前需要评估用于制造电极的原材料或混合物的电导率，以提高电极质量。此外，众所周知，粉末的电导率会随着堆积密度的增加而增加，因为这会增加颗粒之间的接触点数量。这种关系对于电极生产尤为重要，因为在制造过程中，当粉末经过压延工艺形成电极时，材料通常会被压实。然而，电导率随堆积密度的变化规律难以预测。因此，表征粉末电导率及其随堆积密度的演变对于电池制造具有重要意义。

在本研究中，我们介绍了一种测量粉末电导率的新方法，该方法与 GranuPack 进行的振实密度测量相结合。这种新方法能够评估粉末在不同堆积密度下的电导率及其随材料压实过程的变化。我们测试了多种专门用于电极生产的材料，以突出不同参数（如炭黑比例、混合时间或粉末原纤化程度）对电导率的影响。这种新方法将有助于基于粉末表征来持续改进电极生产。

方法

使用 GranuPack 测量粉末电导率时，需采用电导率单元和电导率测量池，如图 1 所示。使用电导率池并将其放置在 GranuPack 中，替换常规的样品池。开始测量前，将电导率池的两根导线插入电导率单元。该单元由软件控制。

图 1. （左）配备电导率单元的 GranuPack；（右）电导率池。

完成 GranuPack 常规的初始化流程后，通过一系列称为"敲击"的自由落体运动对粉末进行压实。每次敲击后，同时测量并记录堆积密度和电导率，从而获得粉末电导率随敲击次数或振实密度变化的曲线。

图 2 展示了测量粉末电导率的原理示意图。测量过程中，粉末与两个电极接触，使电流能够通过。根据欧姆定律 R=U/I，通过测得的电压和电流强度，计算出电流通过的粉末的电阻 R。然后根据以下公式计算粉末的电导率 σ：

σ = 1/R · L/S

其中 S 是每个电极的表面积，L 是分隔两个电极的距离（样品池的直径）。

图 2. 电导率池工作原理示意图。

粉末描述

测试了电池制造中常见的多种粉末：

l 硫 (78%) 和炭黑 (22%) 的复合粉末

l 磷酸铁锂 (95%)、炭黑 (3%) 和 PTFE (2%) 在不同原纤化程度下的混合物

l 石墨 (92%)、炭黑 (5%) 和 PVDF (3%) 经不同时间混合后的混合物

l 纯炭黑粉末

l 模型材料：玻璃珠与炭黑按重量比 0%、0.1% 和 1% 的混合物

结果

图 3 展示了各种粉末的电导率随堆积密度 η = ρ_bulk / ρ_true 变化的曲线。不同材料之间，以及同种混合物不同批次之间的曲线都存在显著差异。根据其成分，电导率可能很低，也可能很高，相差数个数量级。显然，含有高比例石墨或炭黑的粉末总体上比主要含有 LFP 或硫等绝缘体材料的粉末具有更高的电导率。此外，对于每种粉末，电导率都随堆积密度的增加而增加。这可以通过压实过程中颗粒的重排来解释。因此，空隙减少，颗粒间的接触增多，从而允许更好的电荷渗透。

图 3. 不同测试粉末的电导率随堆积密度的变化。

这种变化高度依赖于粉末本身。事实上，变化幅度可以是一个数量级（如纯炭黑），也可以是几个数量级（如硫和碳的复合粉末，其在低堆积密度和高堆积密度之间的电导率变化了 6 个数量级）。

电导率与堆积密度的关系曲线对电极生产极具价值，因为它可以比较不同的粉末配方，选择具有电导率的配方以改进电极。此外，可以评估电导率随粉末材料压实状态的变化，从而更深入地理解电导率与材料密度的依赖关系。这有助于更好地估计材料加工过程中（例如电极生产中的压延之后，此时粉末材料被高度压实以优化颗粒间接触和堆积）的电导率变化。

结论

粉末的电导率是许多应用中需要考虑的重要方面。尤其，它是电池电极生产的关键参数。由于电极需要良好的导电性来传输电荷，因此必须确保粉末形态的原材料具有足够的电导率。为此，在生产前测量粉末电导率至关重要，以便筛选不同材料以选择候选者，调整导电添加剂的配方，并评估电导率如何随堆积密度变化，从而在压延后使电极达到导电性能。

通过 GranuPack 及其新型的电导率单元和专用测量池，可以快速、自动化地结合振实密度测量粉末的电导率。该方案提供的准确性和重复性，使得能够根据电导率和堆积密度轻松地对粉末进行区分和分类。可以研究电导率随堆积密度或振实密度的变化，进行更深入的分析。所有这些功能都有助于改进粉末配方和工艺，从而获得更优的电极性能。

本应用说明由 Granutools 公司颗粒科学家——电池专家 Salvatore Pillitteri 撰写。

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