تحسين الكثافة المستغلة لمادة الكاثود لجعل بطارية الليثيوم أيون تحتفظ بالمزيد من الطاقة

الكثافة المستغلة هي إحدى الخاصيتين الفيزيائيتين المهمتين لمواد القطب الكهربائي وتؤثر على كثافة الطاقة في بطارية ليثيوم أيون (LIB). الخاصية الفيزيائية المهمة الأخرى هي توزيع حجم الجسيمات الذي يوفر المعلومات المناسبة لتحسين معلمات الطحن أثناء الإنتاج. ويمكن أن يؤدي تحسين الكثافة المستغلة أيضًا إلى تحسين كثافة الطاقة العالية أثناء تصنيع بطارية LIB.

وبالتالي، من الضروري أن يحدد منتج LIB مسبقًا ما هي الكثافة المستغلة المثلى والقابلة للتحقيق ثم استخدام هذا المعيار 'كمعيار ذهبي' لقياس العينات من العملية أثناء الإنتاج حتى تتطابق أو تقترب من قياس 'المعيار الذهبي'. تُعد سلسلة BeDensi T Pro سهلة الاستخدام جهاز اختبار مثالي لكثافة النقر لأنه جهاز اقتصادي يوفر أداءً استثنائيًا دون أي تنازلات.

 

                        

المنتج	سلسلة BeDensiT Pro، سلسلة BeDensi T Pro، Bettersizer ST
الصناعة	البطاريات والطاقة
العينة	LiFePO4
نوع القياس	خصائص المسحوق، توزيع حجم الجسيمات
تقنية القياس	توصيف المسحوق، حيود الليزر، حيود الليزر

 

 

الانتقال إلى قسم

 

 
• مقدمة
 
• التجريبية
 
• النتائج
 
• الخاتمة
 
• المرجع
 

 

 

---

 

 

1. مقدمة

 

تُستخدم بطارية ليثيوم أيون (LIB) على نطاق واسع في منتجات 3C (الكمبيوتر والاتصالات والإلكترونيات الاستهلاكية)، والمعروفة أيضًا باسم 'أجهزة المعلومات'. ونظرًا لأن حجم منتجات 3C ليس كبيرًا، غالبًا ما يشار إليها باسم 'الأجهزة الصغيرة 3C'. كما هو موضح في الصورة في الشكل 1أ، تشمل الأجهزة الأخرى التي تستخدم الليب المركبات الإلكترونية وأنظمة تخزين الطاقة الثابتة. يتم استخدام الليب من بين جميع الخيارات الأخرى لأنه يتمتع بأعلى كثافة طاقة من البطاريات العملية القابلة لإعادة الشحن، كما هو موضح في الرسم البياني الموضح في الشكل 1ب.

 

 

الشكل 1. تطبيقات بطارية ليثيوم أيون (أ) وكثافة طاقة البطاريات القابلة لإعادة الشحن (ب).

 

 

نظرًا لهذه التطبيقات المقيدة الحجم، تعتبر كثافة الطاقة الحجمية للبطارية معلمة ضرورية يجب أخذها في الاعتبار. وكثافة الطاقة الحجمية هي كمية الطاقة المخزنة لكل وحدة حجم ويتم التعبير عنها عادةً بالواط/ساعة لكل لتر (Wh/L). ستحتفظ بطارية ليثيوم أيون ذات كثافة طاقة حجمية أعلى بطاقة أكبر من بطارية ذات حجم مماثل بكثافة طاقة أقل. أيضًا، عند تركيب LIB في المنتج المناسب، غالبًا ما يكون هناك قيود على الحجم، لذا فإن بطارية LIB ذات الحجم الأصغر والكثافة الأعلى للطاقة هي ميزة محددة في الأنظمة ذات الحجم المحدود. حتى الآن، على الرغم من إجراء دراسات مستفيضة لزيادة كثافة الطاقة والطاقة في الليب LIBs، إلا أن قدرة تخزين الطاقة المحققة لا تزال غير كافية لتلبية الطلب المتزايد في الأسواق. ^[1]

 

 

ولتحقيق كثافة طاقة حجمية عالية، يجب أن تكون المواد النشطة في قطب كاثود الليب ذات كثافة عالية. ويوضح الجدول 1 الفرق بين الكثافة النظرية والكثافة المستغلة للمواد النشطة في القطب السالب النموذجي. وتشمل هذه المواد النشطة _LiCoO2 (LCO)، وL Li (_NixCoyMnz) _O2 (NCM)، وL _LiFePO4 (LFP)، _وLayMn2O4. بشكل عام، ترتبط الكثافة المستغلة ارتباطًا كبيرًا بحجم الجسيمات وتوزيع حجم الجسيمات والتشكل وما إلى ذلك. ^[2] من المتوقع أنه يمكن تحسين الكثافة من خلال تحسين عملية الإنتاج. يمكن تحسين العديد من المعلمات على وجه التحديد مثل تحضير السلائف والتكلس والطحن. يتم خلط المواد النشطة للكاثود مع مادة رابطة أو عامل موصل وتغليفها على مجمّع من الألومنيوم متبوعًا بالضغط باللف. سيتم تحسين كثافة التعبئة والتغليف للأقطاب الكهربائية لحمل المزيد من الطاقة بنفس الحجم.

 

 

الجدول 1. الكثافة النظرية والمستغلة لمواد الكاثود.

                         

مواد الكاثود	Li (NixCoyMnz)O2 Li	LiFePO4	LiMn2O4	LiCoO2
الكثافة النظرية (جم/سم3)	4.85	3.60	4.31	5.10
الكثافة المستغلة (جم/سم3)	2.6-2.8	0.80-1.10	2.20-2.40	2.80-3.00

 

 

يؤثر وقت الطحن بشكل مباشر على توزيع حجم الجسيمات (PSD) لمواد مسحوق الكاثود. ويؤثر توزيع حجم الجسيمات (PSD) تأثيرًا كبيرًا على الكثافة المستغلة. كان الهدف الأساسي من هذه المذكرة التطبيقية هو معرفة علاقة توزيع حجم الجسيمات (PSD) على الكثافة المستغلة لمواد كاثود LIB.

 

 

2. تجريبي

 

تم توصيف الكثافات المستغلة لعينتين من _LiFePO4 (LFPP) تم تحضيرهما في أوقات طحن مختلفة باستخدام جهاز BeDensi T2 مع محطتي عمل. تم اختبار التجارب وفقًا لمعيار ASTM B527-20، مع استخدام عينة بوزن 50 جم للصب في الأسطوانة. ^[3] كان ارتفاع القطرة المستخدمة 3 مم وسرعة التنصت 200 نقره/دقيقة واستغرق إجمالي وقت التنصت 8 دقائق. تم قياس توزيع حجم الجسيمات للعينات في أقل من دقيقة عن طريق حيود الليزر باستخدام جهاز Bettersizer ST.

 

 

3. النتائج

 

3.1 كثافة النقر

 

يوضح الشكل 2أ أن حجم الكثافة المستغلة لمساحيق LFP-1 وLFP-2 يبلغ 55.5 مل و46.0 مل على التوالي. تُظهر التقارير الحسابية من الجهاز أن الكثافة المستغلة ل LFP-1 كانت 0.89 (^جم/سم3 ) ل LFP-2 كانت 1.08 (^جم/سم3 ). تم الإبلاغ عن 10 مكررات في الشكل 2 ب لكل عينة، مما يؤكد أن نتائج الاختبار كانت قابلة للتكرار بدرجة كبيرة. هناك ثلاثة أسباب للنتائج الدقيقة والقابلة للتكرار:

 

أ) تتوافق طريقة الاختبار مع معيار ASTM B527-20
ب) يحتوي جهاز الاختبار على جهاز يقوم بتدوير الأسطوانة لتقليل أي انفصال محتمل للكتلة أثناء النقر
ج) يتم تدريج الأسطوانات وقراءتها من 3 زوايا مختلفة كما هو موضح في الشكل 3، ثم يتم الحصول على قيمة متوسطة من جميع القراءات الثلاث للتأكد من متوسط القيمة التي تُستخدم لحساب الكثافة المنقورة.

 

 

الشكل 2. (أ) تغيرات حجم العينة أثناء النقر، (ب) 10 قياسات متكررة لكثافة النقر

 

 

الشكل 3. BeDensi T2 Pro مع أسطوانات متدرجة سهلة القراءة

 

 

3.2 توزيع حجم الجسيمات (PSD)

 

بعد قياسات الكثافة المسحوبة، تمت دراسة توزيعات حجم الجسيمات (PSD) للملفوفتين المنخفضتين. وتظهر النتائج، كما هو موضح في الشكل 4، أن توزيعات حجم الجسيمات (PSD) لكلا العينتين لها نفس النطاق من 0.28 إلى 38.41 ميكرومتر، في حين أن D50 لـ LFP-2 هو 9.21 ميكرومتر، مقارنةً بـ 4.08 ميكرومتر لـ LFP-1.

 

الشكل 4. يتراوح معدل التوزيع الجانبي الثابت لعينتين من 0.28 إلى 38.41

 

 

الجدول 2. الكثافة النظرية والمستغلة لمواد الكاثود.

                            

العينة	Dmin (ميكرومتر)	D10 (ميكرومتر)	D50 (ميكرومتر)	D90 (ميكرومتر)	Dmax (ميكرومتر)
LFP-1	0.28	1.10	4.08	12.21	38.41
LFP-2	0.28	1.46	9.21	18.07	38.41

 

 

لذا، فإن كلا العينتين لهما نفس نطاق كثافة النقر، في حين أن D50 من LFP-1 أصغر من LFP-2 مما يؤدي إلى كثافة نقر أقل. أفاد يينغ وآخرون أنه كلما كان متوسط حجم الجسيمات أصغر، انخفضت كثافة النقر. ^[4] في هذه الحالة، ستؤدي زيادة وقت الطحن إلى تقليل حجم الجسيمات كما هو موضح في LFP-1 في الشكل 4.

 

 

يؤدي التأثير الناتج عن هذا الانخفاض في الحجم إلى انخفاض الكثافة التي تشغل حجمًا أكبر في هذه العينات. ولفهم العلاقة بين الكثافة المستغلة وPSD، فإن جهاز اختبار الكثافة المستغلة ومحلل حيود الليزر ضروريان لتحسين عملية الإنتاج وتصنيع الليب عالي الجودة.

 

 

الخلاصة

 

تؤكد التقارير التي يعرضها جهاز BeDensi T Pro Series أنه تم الوصول إلى الكثافة المستغلة المثلى من خلال ضبط توزيع حجم الجسيمات. وباعتبارها إحدى الخصائص المهمة لمادة القطب الكاثود، ينبغي تحسين الكثافة المستغلة أثناء عملية التحضير لجعل بطاريات الليثيوم أيون تحتفظ بالمزيد من الطاقة في نفس حجم المادة. لذلك، من الضروري لمصنعي LIB أن يستخدموا جهاز اختبار الكثافة المستغلة سهل الاستخدام وعالي الكفاءة لتوصيف الكثافة المستغلة لمواد القطب الكهربائي في وقت سريع. تُعد سلسلة BeDensi T Pro مناسبة بشكل مثالي لقياس مواد القطب الكهربائي للأبحاث، واختبار مراحل التطوير للتحكم في الإنتاج.

 

 

المرجع

 

[1] الخرباشي، أ. وآخرون. الاستكشافات والتطورات والتحديات التي تستفيد من تقنيات ما بعد بطاريات الليثيوم أيون. J. Alloys Compd., 817 (2020)

 

[2] يانغ، س. وآخرون. مادة كاثود _O2 عالية الكثافة الحنفية الكروية Li [Ni0_.5Mn0.3Co0.2] O2 المصنعة بطريقة الترسيب المشترك الهيدروكسي المستمر لبطاريات الليثيوم أيون المتقدمة. Int. J. Electrochem., 9 (2012).

 

[3] المواصفة القياسية ASTEM B527-20: طريقة اختبار كثافة الحنفية للمساحيق والمركبات المعدنية.

 

[4] Ying J, et al. إعداد وتوصيف مادة الكاثود LiNi0_.8Co0.2O2 الكروية عالية الكثافة لبطاريات الليثيوم الثانوية. J. Power Sources, 99 (2001)

 

 

 

نبذة عن المؤلف

        

بيرفيل ليو كبير مهندسي التطبيقات في بيترسايز إنسترومنتس

 

 

        

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