Anwendung des Laser-Partikelgrößenanalysators bei Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien

Um eine hohe Energiespeicher-, Stabilitäts- und Sicherheitsleistung zu erreichen, ist es notwendig, die Partikelgrößenverteilung der Kathodenmaterialien von Lithiumbatterien streng zu kontrollieren. Daher ist es für Batteriehersteller wichtig, die Partikelgrößenverteilung von Elektrodenmaterialien schnell und einfach mit dem Bettersizer 2600 Laser-Partikelgrößenanalysator zu messen.

 

                        

Produkt	Bettersizer 2600
Industrie	Batterie und Energie
Muster	Lithium-Batterie-Kathode
Messung Typ	Partikelgröße
Messtechnik	Laser-Diffraktion

 

 

Zu einem Abschnitt springen:

 

 
• Einführung
 
• Schlussfolgerung
 
• Referenz
 

 

 

---

 

Einleitung

 

Mit der raschen Entwicklung neuer Energieformen, insbesondere für die Fahrzeugindustrie und intelligente tragbare Geräte, hat die Erforschung und Herstellung von Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien allmählich weltweite Aufmerksamkeit erlangt. Zu den wichtigsten Forschungsbereichen gehört die Entwicklung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität, langer Lebensdauer, hoher Sicherheit und niedrigem Preis. Die Bemühungen in diesem Bereich haben sich zum Hauptschwerpunkt der Batterieindustrie entwickelt und befinden sich in einem Stadium der raschen Entwicklung. Statistiken zufolge war Anfang Januar 2021 die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien in der Fahrzeugindustrie voll ausgelastet, und die Bestellungen zum Jahresende schnellten in die Höhe. Dies wiederum führte zu einer Verknappung der vorgelagerten Hochleistungsrohstoffe, insbesondere bei der Versorgung mit Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien.

 

 

Zu den Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien gehören im Allgemeinen Lithiumeisenphosphat, Lithiumkobaltoxid, Lithiumcarbonat und ternäre Materialien mit hohem Nickelgehalt. Die Partikelgröße und die Größenverteilung aller Kathodenmaterialpartikel wirken sich direkt auf die Lade- und Entladeleistung dieser Batterien aus. Daher ist es äußerst wichtig, die Partikelgrößenverteilung der Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien während der Entwicklung und Produktion dieser Batterien zu messen.

 

 

Lithiumeisenphosphat ist ein häufig verwendetes Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Seine Partikelgrößenverteilung bestimmt die Verarbeitungs- und Anwendungsleistung von Lithiumeisenphosphat in Lithium-Ionen-Batterien. In diesem Anwendungsbericht wurde der Bettersizer 2600 Laser-Partikelgrößenanalysator verwendet, um die Partikelgrößenverteilung von 5 Lithium-Eisenphosphat-Proben zu messen.

 

 

Bettersizer 2600 Laser-Partikelgrößenanalysator

 

 

Partikelgrößenverteilungen von Lithiumeisenphosphat-Partikeln

 

 

Abbildung 1. Partikelgrößenverteilung von Lithiumeisenphosphatpartikeln

 

 

Typische Partikelgrößenwerte von Lithiumeisenphosphatpartikeln

 

 

Tabelle 1. Typische Partikelgrößenwerte von Lithiumeisenphosphat

                                        

Probe	D10 (μm)	D50 (μm)	D90 (μm)
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

 

 

Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, waren die durchschnittlichen Partikelgrößen von Lithiumeisenphosphat A, B und C viel kleiner als die durchschnittlichen Partikelgrößen von D und E. Generell hat die durchschnittliche Partikelgröße von Lithiumeisenphosphat einen großen Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften von Lithiumionenbatterien. Kleine Partikel können die spezifische Oberfläche der aktiven Materialien in den Lithium-Ionen-Batterien vergrößern und den Diffusionsweg der Lithium-Ionen in der Batterie verkürzen, wodurch die elektrochemische Reaktivität der Lithium-Ionen-Batterien gefördert wird^[1].

 

 

Wenn die Partikelgröße von Lithiumeisenphosphat jedoch zu klein ist, können die Partikel leicht agglomerieren. Dies führt zu einer Verringerung der Elektronenleitfähigkeit und des Festphasendiffusionskoeffizienten, was wiederum den Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterien erhöht. Unter dem Einfluss des hohen Innenwiderstands wird ein Teil des elektrischen Stroms in Wärmeenergie umgewandelt. Dies führt zu einem erheblichen Wärmeverlust in der Lithium-Ionen-Batterie, was sich letztlich auf die Kapazität und die Entladeleistung der Batterie auswirkt.

 

 

Nach Angaben eines bekannten Herstellers von Lithiumeisenphosphat liegen die meisten D50 von Lithiumeisenphosphatprodukten im Bereich von 1μm-2,5μm. Es hat sich herausgestellt, dass die elektrochemischen Eigenschaften in diesem Größenbereich am besten sind, da er für die effektive Entladeleistung der Lithium-Ionen-Batterie optimal ist. Darüber hinaus liegen die D50 einer kleinen Menge von Lithiumeisenphosphatpartikeln im Bereich von 3,5μm-8μm, wie bei den Proben D und E, was zu einem hohen Innenwiderstand und schlechten elektrochemischen Eigenschaften führt und somit die erwartete Lebensdauer, die nutzbare Kapazität, die Lade- und Entladeraten und die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie verringert.

 

 

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, lagen die durchschnittlichen Partikelgrößen von Lithiumeisenphosphat A, B und C bei etwa 1μm, während die durchschnittlichen Partikelgrößen von D und E zwischen 4μm und 10μm lagen. Bei Probe E können die übergroßen Partikel den Festphasendiffusionskoeffizienten von Lithiumionen in den aktiven Materialien verschlechtern, was zu einem erhöhten Innenwiderstand und einer geringeren effektiven Ladung führt.

 

 

Mehrere Messungen derselben Lithium-Eisenphosphat-Probe

 

 

Abbildung 2. Wiederholbarkeitstest der Probe A

 

 

Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass die Mehrfachmessungen von Lithiumeisenphosphat mit dem Bettersizer 2600 eine gute Wiederholbarkeit der Ergebnisse zeigen. Die Werte der Wiederholbarkeit für D10, D50 und D90 liegen bei 0,13%, 0,07% bzw. 0,09% und damit weit unter den Anforderungen der ISO 13320^[2]. Die Verwendung des Bettersizer 2600 zur Messung der Partikelgrößenverteilung von Lithiumeisenphosphat hat daher eine hohe Wiederholbarkeit.

 

 

Schlussfolgerung

 

Die Partikelgrößenverteilungen der Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien sind entscheidend für die Leistung einer Batterie. Für ein bestimmtes Anodenmaterial und eine bestimmte Zellgröße kann die Partikelgrößenverteilung des Kathodenmaterials angepasst werden, um die Energie und Leistung von Lithiumbatterien zu optimieren. Um eine hohe Energiespeicher-, Stabilitäts- und Sicherheitsleistung zu erreichen, muss die Partikelgrößenverteilung der Kathodenmaterialien von Lithiumbatterien streng kontrolliert werden. Daher ist es für Batteriehersteller wichtig, die Partikelgrößenverteilung von Elektrodenmaterialien schnell und einfach mit dem Bettersizer 2600 Laser-Partikelgrößenanalysator messen zu können.

 

 

Referenz

 

[1] Batteriematerialien für ultraschnelles Laden und Entladen, B Kang, G Ceder, Nature, 12. März 2009, Band 458.

 

[2] ISO 13320 (2009) Partikelgrößenanalyse - Laserbeugungsmethoden.

 

 

 

Über den Autor

        

Fangfang Zhang   Anwendungsingenieur @ Bettersize Instruments

 

 

        

Entschlüsseln Sie die Geheimnisse von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien mit der Sammlung von SEVEN Batterie-Anwendungshinweisen. (pdf)   Holen Sie sich jetzt Ihr Exemplar