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當(dāng)前位置：HORIBA（中國(guó)）>>公司動(dòng)態(tài)>>無需稀釋，精準(zhǔn)分析高濃度電池漿料顆粒特性有妙招！ | 用戶訪談
無需稀釋，精準(zhǔn)分析高濃度電池漿料顆粒特性有妙招！ | 用戶訪談
Takashi Sasabe 副教授
東京工業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 機(jī)械系
東京工業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 機(jī)械系
“我們非常驚喜地發(fā)現(xiàn)可以在不對(duì)電池漿料進(jìn)行稀釋的情況下獲得粒度分布結(jié)果。這是一項(xiàng)激動(dòng)人心的成就，此前從未有人實(shí)現(xiàn)過。”Sasabe 副教授表示。
01
清潔能源的開發(fā)迫在眉睫
21世紀(jì)，人類無時(shí)無刻不在金山銀山與綠水青山之間做取舍。
海洋冰川消融，海平面上升，生活在內(nèi)陸的人們?yōu)榱搜泳徣蜃兣倪M(jìn)程，也在通過車輛限行、提倡綠色出行等手段減少溫室氣體的排放。
科學(xué)家在努力開發(fā)不排放溫室氣體的清潔能源，其中，燃料電池就是備受關(guān)注的清潔能源之一。盡管燃料電池已經(jīng)在汽車行業(yè)得到應(yīng)用，但要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的商業(yè)化，仍需持續(xù)降低成本、提高耐用性和效率。
*燃料電池：一種將燃料與氧化劑的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，被譽(yù)為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。
HORIBA 采訪了東京工業(yè)大學(xué)的 Takashi Sasabe 副教授，他正在開發(fā)高效燃料電池系統(tǒng)。
東京工業(yè)大學(xué)的 Takashi Sasabe 副教授
02
燃料電池的關(guān)鍵——漿料
要構(gòu)建高效的燃料電池系統(tǒng)，設(shè)計(jì)精良的 "反應(yīng)場(chǎng)所 "至關(guān)重要。
以氫-氧燃料電池系統(tǒng)為例，氫氣和氧氣分別從燃料電池的兩端供應(yīng)，并在催化劑層這一“反應(yīng)場(chǎng)所”相遇，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
燃料電池系統(tǒng)
催化劑層的核心是催化劑漿料，它由碳載體、貴金屬催化劑、離子型聚合物和有機(jī)溶劑的混合物顆粒組成。漿料被涂覆在薄膜上，經(jīng)過干燥后形成納米或微米級(jí)的薄片，用于承載燃料電池的化學(xué)反應(yīng)。
由于幾乎所有必要的化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在催化劑層的這一納米結(jié)構(gòu)中，科學(xué)家在催化劑層材料設(shè)計(jì)和機(jī)理剖析上投入了大量精力。
然而，這一過程卻極具挑戰(zhàn)，因?yàn)闃?gòu)成催化劑層的核心——催化劑漿料的分析非常困難。
03
稀釋會(huì)影響漿料顆粒分布
催化劑層的設(shè)計(jì)重要點(diǎn)是電子 (e-)、質(zhì)子 (H+) 和氧氣 (O2) 的順利傳輸以及更活躍的反應(yīng)位點(diǎn)。
離子型聚合物是質(zhì)子(H+)傳輸?shù)闹匾蛩?，設(shè)計(jì)時(shí)需要控制離子型聚合物均勻地包覆在碳支撐催化劑周圍。然而，離子型聚合物對(duì)氧氣(O2)的傳輸效率較低，因此涂層厚度不宜太厚。要實(shí)現(xiàn)質(zhì)子(H+)和氧氣(O2)的最佳傳輸，催化劑漿料中離子聚合物的分散是關(guān)鍵，而粒度分布是判斷漿料分散或聚集情況的重要方法。
顆粒分布是評(píng)價(jià)漿料分散或聚集的重要指標(biāo)，但準(zhǔn)確表征漿料的顆粒分布充滿挑戰(zhàn)。這是由于漿料由不同尺度的顆?；旌衔锝M成(粒徑分布范圍寬)，且顆粒的分散狀態(tài)容易發(fā)生改變。
燃料電池的催化劑漿料通常濃度較高，必須進(jìn)行稀釋后才能進(jìn)行顆粒分析。然而，一旦漿料被稀釋，顆粒的分散狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，粒度分布結(jié)果也會(huì)隨之發(fā)生變化，無法反映漿料稀釋前的真實(shí)情況，也就無法可靠的預(yù)判燃料電池的性能。
“我們咨詢了很多粒度分析儀供應(yīng)商，希望能在不稀釋漿料的前提下進(jìn)行顆粒分析。” Takashi Sasabe 副教授表示，“可是，幾乎所有供應(yīng)商的回答都是否定的。只有HORIBA給出了積極的答復(fù)。HORIBA 對(duì)我們的樣品進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)比我們的傳統(tǒng)方法——掃描電子顯微鏡（SEM），對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。”
HORIBA Partica LA-960V2 系列的高濃度樣品附件
“漿料稀釋前后的粒徑分布會(huì)不同，無法反映漿料真實(shí)的分散狀態(tài)。如果沒有 HORIBA 的解決方案，我們無法得到接近真實(shí)的粒徑分布結(jié)果，也就無法通過這個(gè)信息來預(yù)估電池性能。” Takashi Sasabe 副教授表示。
HORIBA 給出的解決方案是 Partica LA-960V2 激光粒度分析儀，它可以選配高濃度樣品池，無需稀釋即可表征電池漿料的粒徑分布。
04
顯著提高燃料電池研發(fā)效率
Takashi Sasabe 副教授想要通過分析催化劑漿料的分散程度來預(yù)測(cè)催化劑層的結(jié)構(gòu)。
正在使用 LA-960V2 的 Takashi Sasabe 副教授
“要了解催化劑漿料的結(jié)構(gòu)非常困難。雖然我們可以通過 SEM 觀察催化劑漿料的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，但只能獲得局部圖像，不具有代表性。不僅如此，催化劑漿料等聚合物材料可能會(huì)被電子束損壞，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性。” Takashi Sasabe 副教授表示。
因此，要評(píng)估催化劑漿料與燃料電池性能之間的相關(guān)性，就必須采用傳統(tǒng)方法，使用各種材料組裝一個(gè)實(shí)際的燃料電池再進(jìn)行檢測(cè)，這將耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。
Takashi Sasabe 副教授的這項(xiàng)研究，使科學(xué)家能夠通過催化劑漿料的分散狀態(tài)，來預(yù)測(cè)催化劑層的結(jié)構(gòu)。
這將大大減少評(píng)估燃料電池性能所需的實(shí)驗(yàn)步驟。
LA-960V2 的檢測(cè)結(jié)果與 SEM 具有一致性
05
關(guān)于 Partica LA-960V2
Partica LA-960 V2 激光粒度分析儀擁有獨(dú)創(chuàng)的光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn) 0.01 μm-5000 μm范圍的粒徑分析，同時(shí)擁有高效的循環(huán)系統(tǒng)，僅需 1 min(含清洗)即可完成一個(gè)檢測(cè)流程。Partica LA-960 V2 可以耦合多種附件(如高濃度樣品池)，滿足您的多樣化需求，是電池研發(fā)與生產(chǎn)的首選粒徑分析設(shè)備。
HORIBA Partica LA-960V2 激光粒度分析儀
// Partica LA-960V2 激光粒度分析儀
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