電池的正負極材料通常采用粒度范圍較窄的材料制造。然而，在材料加工過程中，可能會引入細粉、團聚體或污染物。雖然細粉可能會提高堆積密度，通常是有益的，但大團聚體和污染物則會帶來嚴重風險——導致局部過熱，降低電池性能，縮短電池壽命，并有可能危及電池本身安全性。檢測這些超大顆粒具有重要意義，但同時也很具挑戰性，因為它們在電極材料中的含量很低。 

激光衍射是電池材料粒度測量的行業標準。然而，傳統系統常常會遺漏少數大顆粒的存在，因為它們的散射信號會被大量顆粒的信號所掩蓋。 

為解決這一難題，我們探索了Mastersizer 3000+ 的增強功能，通過結合自適應激光衍射（Size Sure）和動態成像（Hydro Insight）技術，以提高檢測靈敏度，并對單個顆粒進行可視化。

在Mastersizer 3000+ 上采用的自適應激光衍射（Size Sure）技術將整體衍射信號分為穩態和瞬態。穩態反映的是物料的主體部分，而瞬態事件（由異常大顆粒引起）則被單獨記錄和分析。這得益于Size Sure 技術，其每秒可捕獲10,000 幀衍射圖像，提供了超高的時間分辨率。 

動態成像（Hydro Insight）通過直觀確認大顆粒的存在來補充Size Sure功能的檢測結果。Mastersizer 3000+ 上的Hydro Insight 附件能夠捕捉單個顆粒的高分辨率圖像，以便獨立驗證和分類（例如，團聚體與真正的污染物）。 

在本案例研究中，我們對純鋰鎳鈷鋁氧化物（LNCA）正極材料以及五個添加了不同濃度的42.7 微米球形玻璃顆粒的樣品（分別命名為LNCA + G1 至 LNCA + G5）進行了測試。所有樣品均在Mastersizer 3000+ 平臺上進行了分析，使用的方法為： 

• 動態成像（Hydro Insight） 

• 經典激光衍射 （Laser Diffraction)

• 自適應衍射（Size Sure） 

樣品在水中（加入少量的IGEPAL CA-630 表面活性劑）通過Hydro MV 分散裝置進行分散。 

• Mastersizer 3000+ 激光粒度儀

• Hydro MV（帶攪拌、超聲和脫氣功能的自動分散單元）——可zui大程度減少可能干擾大顆粒衍射信號的氣泡 

• Hydro Insight（采用標準分辨率鏡頭的動態成像技術，用于分析1 至 300 微米尺寸范圍內的物體） 

圖1.Mastersizer 3000+ 配有Hydro MV 分散單元和Hydro Insight 動態成像裝置

每個樣本在20 分鐘內拍攝了50 萬張顆粒的圖像。在純LNCA 樣品中，軟件識別出三種顆粒群：細顆粒、規則顆粒和團聚體（圖2），其Dv50 為 6.7 微米（圖3）。    

圖2. 使用Hydro Insight 附件和Mastersizer 3000+ 對 INCA 樣品拍攝了50 萬張顆粒圖像。圖像分析軟件將顆粒分為三類：典型聚集體（左）、規則顆粒（中）和細顆粒（右）。 

圖3. 利用Hydro Insight 對 50 萬個顆粒的圖像進行分析所得的LNCA 樣品中顆粒尺寸的體積分布，顯示Dv50 為 6.7 微米 

加了玻璃珠標樣的樣品（LNCA+G1 至 LNCA+G5）顯示每50 萬個顆粒中有2 至 100 個不同的玻璃顆粒，相當于每百萬個顆粒中有4 至200 個顆粒的檢出率。前兩個樣品的圖像見圖4。 

圖4. 使用Mastersizer 3000+ 上的Hydro Insight 附件在LNCA+G1（左）和LNCA+G2（右）樣品中檢測到的球形玻璃顆粒，總計5000 個顆粒。

對純LNCA樣品 進行的五次重復測量結果一致（Dv10 = 3.61 微米，Dv50 = 6.69 微米，Dv90 = 11.6 微米），如圖5 所示，并總結于表1中。這些測量結果還表明，除了平均粒徑約為7 微米的常規顆粒外，還存在平均粒徑約為1 微米的細粉。 

圖5. 使用Mastersizer 3000+ 采用經典激光衍射法（未使用自適應衍射（Size Sure））對LNCA 陰極材料進行了5次測量。

表1. 對 LNCA 樣品進行的5 次重復經典激光衍射測量結果匯總。 

在加有玻璃顆粒的樣本中，只有LNCA+G4 和 LNCA+G5 中可檢測到玻璃顆粒，其濃度超過~100ppm（圖6）。濃度較低的樣本未顯示出玻璃顆粒峰。 

圖6. 采用MS3000+ 型激光粒度儀測得的純LNCA 及摻入玻璃顆粒的試樣LNCA+G4 和 LNCA+G5 的經典激光衍射數據。在LNCA+G4 和 LNCA+G5 試樣中可見玻璃顆粒峰，而在較低濃度下則不可見。 

Size Sure 保持了與經典測量方法相同的穩態結果，但獨特之處在于，即使在低濃度樣本中，也能揭示出大顆粒的瞬態信號。 

對純LNCA 樣品進行5 次重復測量所得的穩態和瞬態數據如圖7 所示。穩態數據顯示出與經典測量相似的粒度分布， 包括少量細顆粒的小峰。瞬態數據在此樣品中未顯示出任何其他特征。這些測量結果總結于表2 中。 

圖7. 使用配備Size Sure 自適應激光衍射技術的Mastersizer 3000+ 測量的LNCA 樣品，分別展示了穩態（左）和瞬態（右）的結果。

表2.對LNCA 樣品進行5 次重復自適應衍射測量的總結，采用的是Size Sure 自適應激光衍射法。 

在添加了玻璃顆粒的樣品中，穩態數據僅在LNCA + G4 和 LNCA + G5 樣品中顯示出玻璃顆粒峰（圖8），這與靈敏度為~100 PPM 的經典激光衍射數據一致。 

圖8. 采用Mastersizer 3000+ 上的Size Sure 自適應激光衍射法對純LNCA 和加標樣品測得的穩態數據。在穩態數據中，玻璃顆粒峰僅在LNCA+G4 和 LNCA+G5 樣品中可見。在較低濃度下，此峰不可見。 

然而，瞬態狀態數據表明，在LNCA + G2 和 LNCA + G3 樣品中也出現了玻璃顆粒峰值（圖9），但其玻璃顆粒濃度要低得多，低至~10ppm。 

圖9. 使用Mastersizer 3000+ 上的Size Sure 自適應激光衍射法測量的純LNCA 和添加玻璃顆粒的樣品的瞬態數據。在瞬態數據中，除了LNCA + G1 外，純LNCA 和添加玻璃顆粒的LNCA + G2、LNCA + G3、LNCA + G4 以及LNCA + G5 樣品中均可見玻璃顆粒峰。只有純LNCA 和 LNCA + G1 樣品未出現對應玻璃顆粒的峰。 

表3 總結了所有測量結果與檢測玻璃污染物顆粒靈敏度的關系。雖然經典衍射能夠檢測到100ppm及以上，但Size Sure 自適應衍射能夠檢測到低至10ppm 的顆粒。Hydro Insight 原則上能夠檢測到低至1ppm 的顆粒，不過測量時間會更長。 

表3. 動態成像（Hydro Insight）、經典激光衍射和動態激光衍射（Size Sure）對低含量大顆粒污染物檢測靈敏度的總結