無需稀釋，精準分析高濃度電池漿料顆粒特性有妙招！ | 用戶訪談

來源：HORIBA 科學儀器事業部分類：前瞻

2025-05-24 10:30:15 56閱讀次數

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Takashi Sasabe 副教授

東京工業大學工學院機械系

“我們非常驚喜地發現可以在不對電池漿料進行稀釋的情況下獲得粒度分布結果。這是一項激動人心的成就，此前從未有人實現過。”Sasabe 副教授表示。

清潔能源的開發迫在眉睫

21世紀，人類無時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，生活在內陸的人們為了延緩全球變暖的進程，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。

科學家在努力開發不排放溫室氣體的清潔能源，其中，燃料電池就是備受關注的清潔能源之一。盡管燃料電池已經在汽車行業得到應用，但要實現進一步的商業化，仍需持續降低成本、提高耐用性和效率。

*燃料電池：一種將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置，被譽為是繼水力、火力、核電之后的第四代發電技術。

HORIBA 采訪了東京工業大學的 Takashi Sasabe 副教授，他正在開發高效燃料電池系統。

東京工業大學的 Takashi Sasabe 副教授

燃料電池的關鍵——漿料

要構建高效的燃料電池系統，設計精良的 "反應場所 "至關重要。

以氫-氧燃料電池系統為例，氫氣和氧氣分別從燃料電池的兩端供應，并在催化劑層這一“反應場所”相遇，發生化學反應，將化學能轉化為電能。

燃料電池系統

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溶劑的混合物顆粒組成。漿料被涂覆在薄膜上，經過干燥后形成納米或微米級的薄片，用于承載燃料電池的化學反應。

由于幾乎所有必要的化學反應都發生在催化劑層的這一納米結構中，科學家在催化劑層材料設計和機理剖析上投入了大量精力。

然而，這一過程卻極具挑戰，因為構成催化劑層的核心——催化劑漿料的分析非常困難。

稀釋會影響漿料顆粒分布

催化劑層的設計重要點是電子 (e^-)、質子 (H⁺) 和氧氣 (O₂) 的順利傳輸以及更活躍的反應位點。

離子型聚合物是質子（H⁺）傳輸的重要因素，設計時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，離子型聚合物對氧氣（O₂）的傳輸效率較低，因此涂層厚度不宜太厚。要實現質子（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。

顆粒分布是評價漿料分散或聚集的重要指標，但準確表征漿料的顆粒分布充滿挑戰。這是由于漿料由不同尺度的顆粒混合物組成（粒徑分布范圍寬），且顆粒的分散狀態容易發生改變。

燃料電池的催化劑漿料通常濃度較高，必須進行稀釋后才能進行顆粒分析。然而，一旦漿料被稀釋，顆粒的分散狀態就會發生變化，粒度分布結果也會隨之發生變化，無法反映漿料稀釋前的真實情況，也就無法可靠的預判燃料電池的性能。

“我們咨詢了很多粒度分析儀供應商，希望能在不稀釋漿料的前提下進行顆粒分析。” Takashi Sasabe 副教授表示，“可是，幾乎所有供應商的回答都是否定的。只有 HORIBA 給出了積極的答復。HORIBA 對我們的樣品進行了測試，并對比我們的傳統方法——掃描電子顯微鏡（SEM），對測試結果進行了驗證。”

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不同，無法反映漿料真實的分散狀態。如果沒有 HORIBA 的解決方案，我們無法得到接近真實的粒徑分布結果，也就無法通過這個信息來預估電池性能。” 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。

顯著提高燃料電池研發效率

Takashi Sasabe 副教授想要通過分析催化劑漿料的分散程度來預測催化劑層的結構。

正在使用 LA-960V2 的 Takashi Sasabe 副教授

“要了解催化劑漿料的結構非常困難。雖然我們可以通過 SEM 觀察催化劑漿料的納米級結構，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被電子束損壞，進而影響檢測結果的真實性。” Takashi Sasabe 副教授表示。

因此，要評估催化劑漿料與燃料電池性能之間的相關性，就必須采用傳統方法，使用各種材料組裝一個實際的燃料電池再進行檢測，這將耗費大量的時間和成本。

Takashi Sasabe 副教授的這項研究，使科學家能夠通過催化劑漿料的分散狀態，來預測催化劑層的結構。

這將大大減少評估燃料電池性能所需的實驗步驟。

LA-960V2 的檢測結果與 SEM 具有一致性

關于 Partica LA-960V2

Partica LA-960 V2 激光粒度分析儀擁有獨創的光學系統，可以實現 0.01 μm-5000 μm范圍的粒徑分析，同時擁有高效的循環系統，僅需 1 min（含清洗）即可完成一個檢測流程。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，是電池研發與生產的首選粒徑分析設備。