格瑞德曼：电池材料的样品制备解决方案

随着社会经济的发展，电子设备的不断普及，智能手机、笔记本电脑等应用，尤其是在全球新能源汽车产业迅猛发展的背景下，电池技术的进步已然成为推动行业前行的关键力量，新能源汽车的普及对电池的需求提出了更高的要求。制备出高性能的电池材料已成为各大院校、各科研院以及知名车企的热点研究方向。

锂离子电池，其构造可分为正极材料、负极材料、电池隔膜、电解液等几部分。

正极材料：从正极材料上看，新能源电池大致可分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池。

正极材料的安全性，能量密度和功率密度是当前不同车型对锂离子电池类型取舍的基本依据。

钴酸锂电池：主要材料是钴酸锂，由于钴资源相对贫乏，价格较高，对环境有毒、安全性较差、容量相对较低等缺点，大大限制了其广泛的应用和长远的发展，因此，这类电池主要应用于数码电池中。

锰酸锂电池：主要为尖晶石型锰酸锂。对比钴酸锂，具有资源丰富，价格便宜，对环境污染小等特点。但尖晶石结构很难保持完整性，循环性差，这类电池多应用于电动自行车。

磷酸铁锂电池：主要为磷酸铁锂材料，原料丰富，价格低廉，对环境友好，循环性能非常好，安全性能特别高等特点使其最先在电动汽车上得到应用。但体积能量密度低，温度适应性差等缺点，限制了其进一步的应用。

三元锂电池：主要为镍钴锰或者镍钴铝。最大的优势就是能量密度高。它可以通过调整正极材料中镍的占比，来提高电池能量密度。高能量密度同时也带来了高风险，它的稳定性相对较差，发生燃烧事故的可能性也较高。

为了制备出高质量的锂电池材料，不同的材料，选择合适的制备仪器 和制备方法可以让实验事半功倍。根据我们以往服务过的部分客户案例，结合实验应用，针对锂电池样品制备解决方案，格瑞德曼推出的如下选型可作为实验参考。

案例一：

用户：锂辰科技

样品：石墨

材料性质：脆性

使用仪器：臼式研磨仪MG200

研磨套件材质：玛瑙材质

制备要求：达到5微米

研磨时间：10分钟

石墨是常见的一种电池负极材料，易研磨，可选择的制样设备也较为广泛，考虑到效率和清洁，推荐使用臼式研磨仪MG200。

臼式研磨仪MG200可以被称为是"手动研钵的自动化仪器"，操作简单、方便。

1、人性化设计、易清洗

2、杵头插拔式设计，方便拆卸

3、杵头压力可调节

4、内置观察灯，可随时查看样品的研磨状况

5、程序设置完成后，无需人员监护

在电池材料类样品制备中，固态电解质是一种使用固体电极和固体电解质的电池技术，相较于传统的锂离子电池，它具有良好的机械变形能力、高锂离子电导率以及与高电压正极材料的较强兼容性。在下面的案例中，我们分享的是行星式球磨仪在锂电池材料的应用。

案例二：

用户：中国科学院大学

样品：固态电解质

样品性质：脆性

使用仪器：行星式球磨仪BM20

研磨罐：500毫升氧化锆研磨罐

研磨球：15mm 氧化锆研磨球

转速：300rpm

研磨时间：15min

出样尺寸：D90＜27微米

处理量：单次处理量为500g左右

由于样品的特性，水和法效果并不理想，对于卤化物一些样品，球磨后整体表现为非晶化，有助于离子传导。用行星式球磨仪研磨后的样品，通过测试离子电导率和XRD，观察其电化学性能和结构，后续进行组装全电池的测试。

行星式球磨仪BM20

除了可以制备固态电解质材料外，行星式球磨仪亦可以针对磷酸铁锂电池材料进行高效率的制备，其研究方向主要是通过研究材料的纳米化来提高磷酸铁锂电池的能量密度，而纳米化对环境要求比较高，因此在部分实验条件下，实验人员通常要求在手套箱内操作。在实验的过程中，就需要选配带有通气盖和紧固环的研磨罐。

(行星式球磨仪BM40)

带有通气盖和紧固环的研磨罐

在实际应用中，行星式球磨仪有多个选择，可以选择单平台行星式球磨仪、双平台行星式球磨仪以及四平台行星式球磨仪。与双平台行星式球磨仪BM20相比，行星式球磨仪BM40有4个研磨平台，可同时研磨2份、4份、或8份样品，能快速实现亚微米级的研磨细度。之所以能受到众多客户的喜爱，得益于其实用、安全、便捷的优异性能：

1、研磨室自动通风系统，可用于研磨罐冷却；

2、可自动反向转动；

3、智能的安全门锁，可保障仪器操作的安全性；
4、 采用人体工程学设计，在操作上集舒适性和安全性于一体；
5、人性化的程序设计，可以设定研磨的起始时间，在实验过程中可以自行运转，而无需人员监护；

6、人性化的锁紧装置和开罐工具。

当然，除了传统的行星式球磨仪,针对锂电池材料、纳米材料样品制备，格瑞德曼推出的小型高能行星式球磨仪NM200以及高能振动球磨仪GT600Dual也是不错的选择。

和传统的行星式球磨仪相比，小型高能行星式球磨仪NM200的转速更高，亦是材料类样品制备的“宠儿”，在研磨罐的自动识别、安装、取出和转速性能上，都是传统型球磨仪无法达到的效果。

1、研磨腔门可自动关闭；

2、超强离心加速度，研磨转速可达2200转；

3、可识别研磨罐材质；

4、研磨罐RFID自动识别和定位功能，确保仪器安全运行；

5、可自动安装、定位和锁紧，无需人工手动操作；

6、嵌入式研磨罐设计，操作简单方便。

(小型高能行星式球磨仪NM200)

而高能振动球磨仪GT600Dual，和传统的行星式球磨仪相比，工作原理有显著不同，它主要是通过研磨球高强度的撞击下，将样品粉碎以达到更好的研磨效果，其独特的优势性能也是当下材料样品制备的理想选择。

1、高达35Hz的强力粉碎；

2、通用性强，可将样品研磨至纳米范围；

3、适用于高强度、多频次的使用；

4、紧固方便的研磨罐；

5、可干磨、湿磨、冷冻研磨。

(高能振动球磨仪GT600Dual)

下面将要介绍的样品是一种锰酸锂电池，主要为尖晶石型锰酸锂。对比钴酸锂，具有资源丰富，价格便宜，对环境污染小等特点，但尖晶石结构很难保持完整性，循环性差，这类电池多应用于电动自行车。此类材料属于中硬性的，用户需要D50达到3-15微米，且效率要求高。

传统的研磨方式，颚式破碎仪和球磨仪的转速偏低，因此尝试使用高转速的超离心研磨仪FM200。

(超离心研磨仪FM200)

用户：中芯能

样品：锰酸锂

样品性质：中硬性

使用仪器：超离心研磨仪FM200

转刀：12齿转刀

转刀材质：钛制

筛网：0.08mm筛网

筛网材质：钛制

设定转速：18000rpm

研磨时间：即入即出

超离心研磨仪FM200是一款即入即出的高效率研磨设备，其高转速和可控的出样尺寸，是球磨设备无法达到的高效便捷。

1、运行可靠、清洁方便

2、即入即出的研磨效果

3、出样尺寸可由筛网控制

4、多样化的配件可满足丰富的产品应用

为了达到更好的研磨效果，我们建议搭配自动进样器和旋风分离器来使用，不仅可以实现连续进样，亦可实现连续收集。

每款研磨仪都不是万能的，选择适合的就是最好的，如您想要了解更多锂电池材料样品制备的解决方案，请联系格瑞德曼公司！

行星式球磨仪在机械合金化和纳米材料制备领域的应用

在科研领域，行星式球磨仪有着非常广泛的应用，它可以对软性、硬性、脆性及纤维性样品进行研磨（干磨或湿磨）及混合处理，在很多实验室，行星式球磨仪通常也被用来研磨土壤、矿石、陶瓷、煤炭、水泥熔渣、肥料、木炭等样品，但基于其特殊的工作原理，行星式球磨仪可发挥的作用远不止磨碎这么简单，今天我们一起探讨下行星式球磨仪在机械合金化领域、纳米材料领域的应用。

说起机械合金化和纳米材料的制备，还是要从行星式球磨仪特殊的工作原理说起，究竟它有哪些不同之处，可以被用在这些高端材料的制备领域。

因为从动轮就像行星一样绕着主动轮转动，因此得名“行星式球磨仪”。当仪器启动时，电机带动公共的太阳轮转动，而位于太阳轮上的研磨罐则围绕自身的轴作自转运动，研磨罐自转的方向与太阳轮的方向相反。研磨球与研磨罐一起运转时，受到自转偏向力的叠加影响，在这种影响下，研磨球释放出大量的动能，样品不断受到研磨球的撞击，同时与研磨内壁产生大量摩擦，从而被高度粉碎。

近年来，机械合金化的发展非常迅猛，它被广泛的应用于材料科学、化工、生物、制药等领域，作为材料科学研究重要工具，特别应用于机械式合金材料制备和纳米超细粉末的制备。

我们先了解一下，何为机械合金化？为什么它可以和行星式球磨仪联系在一起？

机械合金化(Mechanical Alloying，简称MA)是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与研磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。

该项技术最早是美国国际镍公司的本杰明等人于1969年前后研制成功的一种新的制粉技术。这种工艺最初被称之为"球磨混合"，但是INCO(国际镍公司)的专利代理律师Mr.Ewan C. MacQueen在第一个专利申请中将此种工艺称之为"机械合金化"(Mechanical Alloying)。接着80年代初又在机械合金化过程中发现了非晶化现象，然后发现了准晶、难熔金属化合物、稀土硬磁合金等新材料。

1990年，Schlup等人发表了机械合金化制备纳米晶材料的报道，使该技术更加引人注目。到目前为止，用机械合金化技术已成功制备出纳米晶纯金属、不互溶体系固溶体纳米晶、纳米非晶、纳米金属间化合物及纳米金属、陶瓷复合材料等。

这种机械合金化粉末并非像金属或合金熔铸后形成的合金材料那样，各组元之间充分达到原子间结合，形成均匀的固溶体或化合物。在大多数情况下，在有限的研磨时间内仅仅使各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离，并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混合物或复合物。

当球磨时间非常长时，在某些体系中也可通过固态扩散，使各组元达到原子间结合而形成合金或化合物。所以近年来该种方法被广泛的应用于制备各种高性能材料，包括弥散强化合金、金属间化合物、磁性材料、储氢合金、纳米晶合金、纳米晶陶瓷、纳米复合材料等。

行星式球磨仪在机械化学的应用

行星式球磨仪的机械加工效果非常适合机械化学合成。机械撞击力提供了化学反应所需的活化能，使得复杂的反应能在无溶剂的条件下进行，反应类型多种多样，从氧化卤代反应和 Diels-Alder 双烯合成反应，到糖苷合成或简单的区域选择反应，机械化学可以实现用传统方法很难做到的反应，例如废弃物的脱卤素处理（DMCR）。一开始大颗粒可以用此方法制备，随着结构缺陷，例如晶格的错位，间隙和应力的增加，原子扩散速度也会快速增长，最终形成缝隙导致物性变脆，颗粒更容易破碎，研磨罐中的摩擦会产生高温，促进了扩散作用。

格瑞德曼BM系列行星式球磨仪可提供机械合金所必须的能量输出，可以制备熔融和浇注无法制备的样品，并选择任意比例的混合。在运行过程中，行星式球磨仪除了可以设定高速运行外，在环境气氛或惰性气体环境下，所提供的研磨罐还可配备安全紧固装置和通气盖。

研磨仪的影响因素

球磨仪的研磨时间、转速、研磨介质、球配比、转速、充填率、过程控制剂、分散剂，甚至气体环境和研磨温度等因素都会对机械合金的制备结果产生影响。而机械合金化这项制备技术，需要更高的能量输入和更好的气氛保护，以确保准确的温度监控。

除了上述提到的影响研磨结果的因素外，与样品直接接触的研磨罐的材质也是影响研磨结果的重要因素。如机械合金化，通常会选择碳化钨材质的研磨罐，因其硬度比较高，密度比较大，相对而言，它是作为能量输入的最佳材质之一，也是机械合金化在多数情况下必备的材质。

纳米技术：小颗粒的大作用

纳米技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。纳米技术研究的内容涉及现代科技的广阔领域, 如材料科学、制药学、食品、颜料或半导体技术。纳米粒子体积小，表面增大，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。如：相比大颗粒，纳米颗粒更难粉碎；纳米效应还广泛用于商业应用，如著名的纳米材料莲花效应，这种纳米颗粒放到纤维中，能做成防尘防水的布料。

如何使用球磨仪来做纳米研磨

行星式球磨仪可将大颗粒尺寸研磨至纳米范围，由于同体积颗粒突增的表面积，小颗粒静电电荷相互吸引，胶体研磨可以得到纳米颗粒，因为颗粒在液体中分散抵消表面张力利于研磨。根据样品材料不同，水和酒精都可以作为分散介质，在某些情况下，需通过加入缓冲剂来中和表面电荷或加入大分子长链结构形成位阻效应。为了达到理想的研磨效果，我们可将0.5到 3 mm 直径可选的研磨球填充至研磨罐体积的 60%  ，这样可以使摩擦力最大化，填充大约为研磨罐体积1/3容量的样品,并添加一些合适的分散剂（例如水、异丙醇、缓冲液），使样品呈糊状均匀分散并达到纳米研磨的理想条件。

影响研磨结果的因素：

研磨设备、转速、研磨时间、介质、球料比、充填率、气氛、过程控制剂、分散剂、研磨温度。

预粉碎

根据样品初始细度和最终出样细度的要求，有必要进行一次预粉碎过程。干法研磨通常使用 >3 mm 直径的研磨球，球料和剩余空间保持1:1:1 的比例，得到的样品可以用来做下一步的纳米研磨。

我们建议您选择和研磨罐材质相同的研磨球，以避免不必要的元素污染！

●如果对出样细度有非常高的要求，推荐使用二次研磨，配合 0.1 到 0.5mm 直径的研磨球，特别是在第一次研磨使用的研磨球大小是 2 - 3mm 直径时更有必要。

注：

1、研磨球的直径必须至少是进样尺寸的 3 倍。

2、为了更好的分离样品和研磨球，可以使用筛网（筛网孔径需小于研磨球 20% 至 50%）和接收盘来更好的分离样品。

●如果样品在湿磨时溶胀，需要加入更多的分散剂来保持研磨球和样品混合均匀，如果样品极易溶胀，建议在研磨之前对其进行稀释。

注：

1、由于研磨时会产生热量，研磨罐的温度可高达 150°C，所以在拿取研磨罐的时候一定要小心。

2、需要特别注意研磨罐内的压力，因此，推荐使用 BM系列带有安全阀门和通气盖的研磨罐。

行星式球磨仪特殊的工作原理，使得转速比对能量输入的大小、研磨效果有直接影响，而在实际的应用中，根据使用要求和期望的处理量，可选择1、2或4个研磨平台的研磨仪，也可以根据使用要求实现1:1到1：-3.5定制化设计。

一台高效、稳定可靠的行星式球磨仪可以让科研工作事半功倍！

选择格瑞德曼，让您的制样更简单，更高效！