تطبيق محلل حجم جسيمات الليزر في مواد كاثود بطارية الليثيوم

من أجل تحقيق أداء تخزين الطاقة العالية والاستقرار والسلامة، من الضروري التحكم الصارم في توزيعات حجم الجسيمات لمواد كاثود بطارية الليثيوم. ولذلك، من المهم لمصنعي البطاريات قياس توزيع حجم الجسيمات لمواد القطب الكهربائي بسرعة وسهولة باستخدام محلل حجم الجسيمات الليزري Bettersizer 2600.

 

                        

المنتج	بيترسايزر 2600
الصناعة	البطاريات والطاقة
العينة	كاثود بطارية الليثيوم
نوع القياس	حجم الجسيمات
تقنية القياس	حيود الليزر

 

 

الانتقال إلى قسم

 

 
• مقدمة
 
• الخاتمة
 
• المرجع
 

 

 

---

 

مقدمة

 

مع التطور السريع لأشكال جديدة من الطاقة خاصة لصناعة المركبات والأجهزة الذكية القابلة للارتداء، حظيت أبحاث وإنتاج مواد الكاثود لبطاريات الليثيوم باهتمام عالمي تدريجيًا. ومن بين المجالات الرئيسية للبحث تطوير مواد كاثود لبطاريات الليثيوم أيون ذات قدرة عالية ودورة حياة طويلة وأداء أمان عالٍ وسعر منخفض. وقد أصبحت الجهود المبذولة في هذا المجال محور التركيز الرئيسي لصناعة البطاريات وهي في حالة تطور سريع. وفقًا للإحصاءات، في بداية شهر يناير 2021، كانت بطاريات الليثيوم أيون في جدول الإنتاج الكامل في صناعة السيارات، وارتفعت طلبات نهاية العام ارتفاعًا كبيرًا. وأدى هذا بدوره إلى نقص في المواد الخام عالية الأداء من المنبع، وخاصة في توريد مواد الكاثود لبطاريات الليثيوم أيون.

 

 

وبصفة عامة، تشمل مواد كاثود بطاريات الليثيوم أيون بطاريات الليثيوم أيون فوسفات حديد الليثيوم وأكسيد كوبالت الليثيوم وكربونات الليثيوم والمواد الثلاثية عالية النيكل. يؤثر حجم الجسيمات وتوزيع حجم جميع جسيمات مواد الكاثود بشكل مباشر على أداء الشحن والتفريغ لهذه البطاريات. لذلك، من الضروري للغاية قياس توزيع حجم جسيمات مواد كاثود بطاريات الليثيوم أيون أثناء تطوير وإنتاج هذه البطاريات.

 

 

فوسفات حديد الليثيوم هو مادة كاثود شائعة الاستخدام لبطاريات الليثيوم أيون. ويحدد توزيع حجم الجسيمات الخاصة بها أداء المعالجة والتطبيق لفوسفات حديد الليثيوم في بطاريات الليثيوم أيون. في هذه المذكرة التطبيقية، تم استخدام محلل حجم جسيمات الليزر Bettersizer 2600 لقياس توزيعات حجم الجسيمات ل 5 عينات من فوسفات حديد الليثيوم.

 

 

جهاز تحليل حجم الجسيمات بالليزر Bettersizer 2600

 

 

توزيعات حجم الجسيمات لجسيمات فوسفات حديد الليثيوم

 

 

الشكل 1. توزيع حجم الجسيمات لجسيمات فوسفات حديد الليثيوم

 

 

القيم النموذجية لحجم الجسيمات لجسيمات فوسفات حديد الليثيوم

 

 

الجدول 1. القيم النموذجية لحجم الجسيمات النموذجية لفوسفات حديد الليثيوم

                                        

العينة	D10 (ميكرومتر)	D50 (ميكرومتر)	D90 (ميكرومتر)
B	0.370	0.991	2.790
D	0.973	4.228	11.150
A	0.388	1.057	3.126
C	0.387	0.956	2.970
E	0.985	10.190	18.330

 

 

كما هو مبين في الشكل 1، كان متوسط أحجام جسيمات فوسفات حديد الليثيوم A و B و C أصغر بكثير من متوسط أحجام جسيمات D و E. وعمومًا، فإن متوسط حجم جسيمات فوسفات حديد الليثيوم له تأثير كبير على الخصائص الكهروكيميائية لبطاريات أيونات الليثيوم. يمكن للجسيمات الصغيرة أن تزيد من المساحة السطحية المحددة للمواد النشطة في بطاريات الليثيوم أيون وتقصير مسار انتشار أيونات الليثيوم في البطارية، وبالتالي تعزيز التفاعل الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم أيون^[1].

 

 

ومع ذلك، إذا كان حجم جسيمات فوسفات حديد الليثيوم صغيرًا جدًا، فمن السهل أن تتكتل الجسيمات. وهذا يؤدي إلى انخفاض في توصيل الإلكترون ومعامل انتشار الطور الصلب، والذي بدوره يزيد من المقاومة الداخلية لبطاريات الليثيوم أيون. سيتم تحويل جزء من التيار الكهربائي إلى طاقة حرارية تحت تأثير المقاومة الداخلية العالية. ويتسبب ذلك في فقدان قدر كبير من الحرارة من بطارية الليثيوم أيون، مما يؤثر في النهاية على سعة البطارية وأداء التفريغ.

 

 

وفقًا للتعليقات الواردة من شركة تصنيع فوسفات حديد الليثيوم المعروفة، فإن معظم D50s من منتجات فوسفات حديد الليثيوم تقع في نطاق 1 ميكرومتر - 2.5 ميكرومتر. وقد وُجد أن الخواص الكهروكيميائية تكون في أفضل حالاتها في هذا النطاق من الحجم لأنها تساعد على أداء التفريغ الفعال لبطارية الليثيوم أيون للوصول إلى المستويات المثلى. وبالإضافة إلى ذلك، فإن D50s لكمية صغيرة من جسيمات فوسفات حديد الليثيوم الفوسفاتية تكون في نطاق 3.5 ميكرومتر - 8 ميكرومتر، مثل العينتين D و E، مما يؤدي إلى مقاومة داخلية عالية وخصائص كهروكيميائية ضعيفة، وبالتالي يقلل من العمر المتوقع، والقدرة القابلة للاستخدام، ومعدلات الشحن والتفريغ، وسلامة بطارية الليثيوم أيون.

 

 

كما يتبين من الجدول 1، كان متوسط أحجام جسيمات فوسفات حديد الليثيوم A وB وC حوالي 1 ميكرومتر، بينما كان متوسط أحجام الجسيمات في العينة D وE بين 4 ميكرومتر و10 ميكرومتر. بالنسبة للعينة E، قد تؤدي الجسيمات كبيرة الحجم إلى تدهور معامل انتشار المرحلة الصلبة لأيون الليثيوم في المواد النشطة، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية وانخفاض الشحنة الفعالة.

 

 

قياسات متعددة لنفس عينة فوسفات حديد الليثيوم الفوسفاتية

 

 

الشكل 2. اختبار التكرار للعينة A

 

 

يمكن أن نرى من الشكل 2 أن القياسات المتعددة لفوسفات حديد الليثيوم بواسطة جهاز Bettersizer 2600 تُظهر قابلية جيدة لتكرار النتائج. وتبلغ قيم قابلية التكرار ل D10 وD50 وD90 0.13% و0.07% و0.09% على التوالي، وهي أقل بكثير من متطلبات المواصفة القياسية ISO 13320^[2]. ولذلك، فإن استخدام جهاز Bettersizer 2600 لقياس توزيع حجم جسيمات فوسفات حديد الليثيوم له قابلية تكرار عالية.

 

 

الخلاصة

 

تُعد توزيعات حجم الجسيمات لمواد كاثود بطارية الليثيوم أيون حاسمة في التأثير على أداء البطارية. بالنسبة لمادة أنود وحجم خلية معين، يمكن تعديل توزيع حجم الجسيمات لمادة الكاثود لتحسين طاقة بطاريات الليثيوم وقوتها. من أجل تحقيق أداء تخزين طاقة عالٍ واستقرار وأمان عالٍ، من الضروري التحكم الصارم في توزيعات حجم الجسيمات لمواد كاثود بطارية الليثيوم. لذلك، من المهم بالنسبة لمصنعي البطاريات أن يكونوا قادرين على قياس توزيع حجم الجسيمات لمواد القطب الكهربائي بسرعة وسهولة، باستخدام محلل حجم الجسيمات الليزري Bettersizer 2600.

 

 

المرجع

 

[1] مواد البطارية للشحن والتفريغ فائق السرعة، B Kang، G Ceder، Nature، 12 مارس 2009، المجلد 458.

 

[2] ISO 13320 (2009) تحليل حجم الجسيمات - طرق حيود الليزر.

 

 

 

نبذة عن المؤلف

        

فانغ فانغ تشانغ   مهندس تطبيقات في Bettersize Instruments

 

 

        

اكتشف أسرار بطاريات الليثيوم أيون عالية الأداء مع مجموعة من سبع ملاحظات تطبيقية للبطاريات. (pdf)   احصل على نسختك الآن