التحقيق في تأثيرات حجم الجسيمات وشكلها على كثافة طاقة الأنود في بطاريات الليثيوم أيون

إن حجم الجسيمات وشكلها هما المعلمتان الرئيسيتان اللتان تحددان سعة تخزين الطاقة للأنود في الليبات، والتي يجب مراقبتها والتحكم فيها ضمن النطاق الأمثل لتحسين كفاءة عملية التصنيع. ووفقًا للمعيار الصيني GB/T 38887-2020، يجب قياس دائرية وحجم جسيمات الجرافيت بطريقة الصورة الديناميكية وطريقة حيود الليزر على التوالي. وتتطلب الطريقة التقليدية جهازين على الأقل للحصول على نتائج حجم الجسيمات وشكلها كل على حدة. ويُعد جهاز Bettersizer S3 Plus، المزود بتقنية حيود الليزر وتقنية الصورة الديناميكية في جهاز واحد، الاختيار الأمثل للمصنعين للحصول على نتائج حجم الجسيمات وشكلها في قياس واحد.

 

                        

المنتج	Bettersizer S3 Plus
الصناعة	البطارية والطاقة
العينة	الجرافيت
نوع القياس	حجم الجسيمات، شكل الجسيمات
تقنية القياس	حيود الليزر، تحليل الصور الديناميكية

 

 

الانتقال إلى قسم

 

 
• مقدمة
 
• النتيجة
 
• الخاتمة
 
• المرجع
 

 

 

---

 

مقدمة

 

استُخدمت بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من التطبيقات نظراً لمزاياها المتمثلة في عمر التخزين الطويل، وعدم وجود تأثير للذاكرة، وانخفاض معدل التفريغ الذاتي. ومع الزيادة السريعة في الطلب على بطاريات الليثيوم أيون في المنتجات الكهربائية، حظي إنتاج بطاريات ذات كثافة طاقة أعلى باهتمام الشركات المصنعة بسبب الحاجة إلى تخزين المزيد من الطاقة.

 

 

يمكن تحسين كثافة طاقة الأنود بشكل كبير من خلال تحسين حجم الجسيمات وشكل الجرافيت. في الأساس، يبلغ حجم الجسيمات المناسب للجرافيت حوالي 20 ميكرومتر، حيث تتمتع البطاريات بقدرة أفضل على تخزين الطاقة. علاوة على ذلك، يتأثر تخزين الطاقة بشكل مباشر بدائرية الجرافيت. ستؤدي جزيئات الجرافيت ذات الدائرية الأعلى إلى كثافة أعلى في التخزين. وللاحتفاظ بالمزيد من الطاقة، يجب أن تكون الكثافة المثلى للجرافيت أعلى من 1 جم/مللتر. وقد أجرى مختبر Bettersize تجربة باستخدام Bettersizer S3 Plus للتحقق من كيفية تأثير حجم الجسيمات وشكلها بشكل كبير على كثافة الطاقة في الليب.

 

 

الشكل 1. النظام البصري لجهاز Bettersizer S3 Plus

 

 

النتيجة

 

توزيع حجم الجسيمات

 

تم قياس حجم الجسيمات وتوزيع حجم الجسيمات لعينات الجرافيت باستخدام حيود الليزر وحده باستخدام جهاز Bettersizer S3 Plus. يظهر توزيع حجم جسيمات العينات الثلاث في الشكل 2، وتظهر قيم الحجم النموذجي في الجدول 1. من الشكل 2، يزداد حجم الجسيمات في نهاية المطاف من العينة A إلى العينة C. تبلغ القيمة المتوسطة للحجم (D50) للعينات الثلاث 6.804 ميكرومتر، و15.98 ميكرومتر، و23.72 ميكرومتر، على التوالي.

 

 

الشكل 2. توزيع حجم الجسيمات لثلاث عينات من الجرافيت

 

 

الجدول 1. قيم حجم الجسيمات النموذجية لعينات الجرافيت

                            

العينة	D10 (ميكرومتر)	D50 (ميكرومتر)	D90 (ميكرومتر)
العينة أ	4.264	6.804	10.49
العينة ب	9.220	15.98	27.18
العينة ج	11.60	23.72	39.98

 

 

يغيّر حجم الجسيمات من أداء تقطير الليثيوم الذي ينعكس في السعة الأولية القابلة للانعكاس، والسعة غير القابلة للانعكاس، والأداء الدوري للليثيوم منخفض الكثافة. تشير الدراسة إلى أنه كلما زاد حجم الجسيمات، تنخفض السعة الأولية غير القابلة للانعكاس. ترتفع السعة القابلة للانعكاس مع زيادة حجم الجسيمات وتبلغ ذروتها عند 20 ميكرومتر. تتمتع عينة الجرافيت 20 ميكرومترًا بأفضل أداء لتراكم الطاقة بين عينات الجرافيت من 13 إلى 80 ميكرومترًا ^[1]. تحتوي العينة B والعينة C على قيم D50 قريبة من 20 ميكرومتر، والتي من المتوقع أن تكون أفضل من العينة A في تخزين الطاقة.

 

 

شكل الجسيمات

 

يمكن لجهاز Bettersizer S3 Plus تحليل معلمات الشكل باستخدام تحليل الصور الديناميكي وحده. يتم قياس دائرية عينات الجرافيت الثلاث، وتظهر النتائج في الجدول 2. تبلغ الكثافة الدائرية المتوسطة (C50) لثلاث عينات من الجرافيت 0.862 و0.896 و0.876 على التوالي. الكثافة الدائرية المتوسطة للعينة B (1.01 جم/مل) أعلى من عينتي الجرافيت الأخريين.

 

 

الجدول 2. الكثافة الدائرية والكثافة المستغلة لعينات الجرافيت

                                   

العينة	الدائرية			الكثافة المستغلة   (جم/مل)
	C10	C50	C90
العينة A	0.813	0.862	0.917	0.85
العينة ب	0.842	0.896	0.950	1.01
العينة ج	0.774	0.876	0.924	0.95

 

 

يميل الأنود إلى الاحتفاظ بالمزيد من الطاقة عندما تكون كثافة الطاقة الحجمية عالية، وتتأثر بكثافة الاستغلال. في تصنيع الأنود، تكون الكثافة المستغلة المثالية للجرافيت الكروي أعلى من 1 جم/ملليتر ^[2]. وتزداد الكثافة المستغلة مع زيادة حجم الجسيمات، لذا فإن العينة A تحتوي على أصغر حجم للجسيمات مع أصغر كثافة مستغلة. ليس فقط حجم الجسيمات ولكن أيضًا شكل المواد الخام يمكن أن يؤثر على الكثافة المستغلة. ووفقًا للدراسات، فإن الكثافة المستغلة لها علاقة إيجابية مع الدائرية ^[3]وهو ما يفسر أن العينة B (1.01 جم/ملليتر) لها كثافة مستغلة أكبر من العينة C (0.95 جم/ملليتر). استنادًا إلى نتائج الكثافة المسحوبة وحجم الجسيمات، من المتوقع أن تتمتع العينة B بأفضل قدرة على الاحتفاظ بالطاقة بين العينات الثلاث.

 

 

التكرار

 

تعد قابلية التكرار معلمة مهمة لقياس حجم الجسيمات. ووفقًا للشكل 3، فإن التكرارات الثلاثة للعينة C لها توزيعات متقاربة تقريبًا لحجم الجسيمات.

 

 

الشكل 3. تكرار العينة C

 

                                  

العينات	D10 (ميكرومتر)	D50 (ميكرومتر)	D90 (ميكرومتر)
العينة C-1	11.60	23.72	39.98
العينة C-2	11.55	23.74	40.09
العينة C-3	11.54	23.76	40.24
التكرار	0.28%	0.08%	0.33%

 

الجدول 3. قابلية تكرار قيم حجم الجسيمات النموذجية

 

 

يوضح الجدول 3 قابلية تكرار القيم النموذجية للعينة C. تبلغ قابلية التكرار لقيم أحجام D10 وD50 وD90 0.28% و0.08% و0.33% على التوالي. يتميز جهاز Bettersizer S3 Plus بالموثوقية مع قابلية التكرار العالية.

 

 

الخلاصة

 

إن حجم الجسيمات وشكلها هما المعلمتان الرئيسيتان اللتان تحددان سعة تخزين الطاقة للأنود في الليبات، والتي يجب مراقبتها والتحكم فيها ضمن النطاق الأمثل لتحسين كفاءة عملية التصنيع. ووفقًا للمعيار الصيني GB/T 38887-2020، يجب قياس دائرية وحجم جسيمات الجرافيت بطريقة الصورة الديناميكية وطريقة حيود الليزر على التوالي ^[4]. وتتطلب الطريقة التقليدية جهازين على الأقل للحصول على نتائج حجم الجسيمات وشكلها كل على حدة. ويُعد جهاز Bettersizer S3 Plus، المزود بتقنية حيود الليزر وتقنية الصورة الديناميكية في جهاز واحد، الاختيار الأمثل للمصنعين للحصول على نتائج حجم الجسيمات وشكلها في قياس واحد.

 

 

المرجع

 

[1] Chen, J., Zhou, H., Chang, W., & Ci, Y. (2003). تأثير حجم الجسيمات على أداء الليثيوم البيني لأنود الجرافيت. Acta Physico-Chimica Sinica, 19(03), 278-282.

 

[2] Yan, C., Zhang, M., & Lin, Y. (2015). تأثير حجم جسيمات الجرافيت على الكثافة السائبة للحنفية. المناجم غير المعدنية، 38(3).

 

[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L., & Chen, H. (2021). تعظيم الاستفادة من عدادات عملية الجرافيت الطبيعي. الصين علوم وتكنولوجيا المسحوق، 27(4).

 

[4] GB/T 38887-2020 - الجرافيت الكروي.

 

 

 

نبذة عن المؤلف

        

شيورونغ تشيو   مهندس تطبيقات في بيترسايز إنسترومنتس

 

 

        

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