Verbesserung der Stopfdichte des Kathodenmaterials, damit eine Lithium-Ionen-Batterie mehr Energie speichern kann

Die Stampfdichte ist eine von zwei wichtigen physikalischen Eigenschaften von Elektrodenmaterialien und beeinflusst die Energiedichte einer Li-Ionen-Batterie (LIB). Die andere wichtige physikalische Eigenschaft ist die Partikelgrößenverteilung, die die entsprechenden Informationen zur Optimierung der Mahlparameter während der Produktion liefert. Die Verbesserung der Stampfdichte kann auch die hohe Energiedichte während der LIB-Herstellung optimieren.

Daher ist es für den LIB-Hersteller notwendig, im Voraus zu bestimmen, was die optimale und erreichbare Stampfdichte ist, und diesen Parameter dann als 'Goldstandard' zu verwenden, um Proben aus dem Prozess während der Produktion zu messen, bis sie mit der 'Goldstandard'-Messung übereinstimmen oder ihr nahe kommen. Die einfach zu bedienende BeDensi T Pro Serie ist ein ideales Stampfdichteprüfgerät, da es ein wirtschaftliches Gerät ist, das außergewöhnliche Leistung ohne Kompromisse bietet.

 

                        

Produkt	BeDensi T Pro-Reihe, Bettersizer ST
Industrie	Batterie und Energie
Beispiel	LiFePO4
Messung Typ	Pulvereigenschaften, Partikelgrößenverteilung
Messtechnik	Pulvercharakterisierung, Laserbeugung

 

 

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1. Einführung

 

Li-Ionen-Batterien (LIB) werden häufig in 3C-Produkten (Computer, Kommunikation und Unterhaltungselektronik) verwendet, die auch als 'Informationsgeräte' bezeichnet werden. Da die 3C-Produkte nicht sehr groß sind, werden sie oft als '3C-Kleingeräte' bezeichnet. Wie in Abbildung 1a dargestellt, werden LIB auch in elektronischen Fahrzeugen und stationären Energiespeichersystemen verwendet. LIB wird vor allen anderen verwendet, weil sie die höchste Energiedichte unter den praktischen wiederaufladbaren Batterien hat, wie aus dem Diagramm in Abbildung 1b hervorgeht.

 

 

Abbildung 1. Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien (a) und Energiedichte von wiederaufladbaren Batterien (b).

 

 

Aufgrund dieser volumenbeschränkten Anwendungen ist die volumetrische Energiedichte einer Batterie ein notwendiger Parameter, der berücksichtigt werden muss. Die volumetrische Energiedichte ist die pro Volumeneinheit gespeicherte Energiemenge und wird üblicherweise in Wattstunden pro Liter (Wh/L) angegeben. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer höheren volumetrischen Energiedichte speichert mehr Energie als eine Batterie mit einem ähnlichen Volumen und einer geringeren Energiedichte. Außerdem gibt es beim Einbau der LIB in das entsprechende Produkt oft eine Größenbeschränkung, so dass eine kleinere LIB mit höherer Energiedichte in Systemen mit eingeschränktem Volumen einen eindeutigen Vorteil darstellt. Bisher wurden zwar umfangreiche Studien durchgeführt, um die Energiedichte und die Leistung von LIBs zu erhöhen, aber die erreichte Energiespeicherkapazität reicht immer noch nicht aus, um die wachsende Marktnachfrage zu befriedigen. ^[1]

 

 

Um eine hohe volumetrische Energiedichte zu erreichen, müssen die aktiven Materialien in der LIB-Kathodenelektrode eine hohe Stampfdichte aufweisen. Tabelle 1 zeigt den Unterschied zwischen den theoretischen und den angezapften Dichten der aktiven Materialien in einer typischen Kathode. Zu diesen aktiven Materialien gehören _LiCoO2 (LCO), Li (_NixCoyMnz)_O2 (NCM), _LiFePO4 (LFP) und _LiMn2O4. Im Allgemeinen steht die Stampfdichte in engem Zusammenhang mit der Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung, der Morphologie usw. ^[2] Es wird davon ausgegangen, dass die Dichte durch Optimierung des Produktionsprozesses verbessert werden kann. Mehrere Parameter können gezielt optimiert werden, z. B. die Vorbereitung der Ausgangsstoffe, die Kalzinierung und das Mahlen. Die aktiven Kathodenmaterialien werden mit einem Bindemittel oder einem leitfähigen Mittel gemischt und auf einen Aluminiumkollektor aufgetragen, gefolgt von einer Walzenpressung. Die Packungsdichte der Elektroden wird verbessert, um bei gleichem Volumen mehr Energie zu speichern.

 

 

Tabelle 1. Theoretische und geprüfte Dichte von Kathodenmaterialien.

                         

Kathodenmaterialien	Li (NixCoyMnz)O2	LiFePO4	LiMn2O4	LiCoO2
Theoretische Dichte (g/cm3)	4.85	3.60	4.31	5.10
Gezapfte Dichte (g/cm3)	2.6-2.8	0.80-1.10	2.20-2.40	2.80-3.00

 

 

Die Mahldauer hat einen direkten Einfluss auf die Partikelgrößenverteilung (PSD) der Kathodenpulvermaterialien. Die PSD hat einen großen Einfluss auf die Stampfdichte. Das Hauptziel dieses Anwendungsberichts war es, die Beziehung zwischen der PSD und der Stampfdichte von LIB-Kathodenmaterialien zu untersuchen.

 

 

2. Experimentelle Untersuchung

 

Die Stampfdichten von zwei _LiFePO4 (LFP)-Proben, die mit unterschiedlichen Mahlzeiten hergestellt wurden, wurden mit dem BeDensi T2 mit zwei Arbeitsstationen charakterisiert. Die Experimente wurden in Übereinstimmung mit der Norm ASTM B527-20 durchgeführt, wobei 50 g Probe in den Zylinder gefüllt wurden. ^[3] Die Tropfenhöhe betrug 3 mm, die Abstichgeschwindigkeit 200 Abstiche/Min. und die Gesamtabstichzeit 8 Minuten. Die Partikelgrößenverteilung der Proben wurde in weniger als einer Minute mittels Laserbeugung mit dem Bettersizer ST gemessen.

 

 

3. Ergebnisse

 

3.1 Geklopfte Dichte

 

Abbildung 2a zeigt, dass das abgestochene Volumen von LFP-1- und LFP-2-Pulver 55,5 ml bzw. 46,0 ml beträgt. Die Berechnungsberichte des Geräts zeigen, dass die Stampfdichte für LFP-1 0,89 (^g/cm3 ) und für LFP-2 1,08 (^g/cm3 ) beträgt. In Abbildung 2b sind für jede Probe 10 Wiederholungen angegeben, was bestätigt, dass die Testergebnisse in hohem Maße wiederholbar sind. Es gibt drei Gründe für die genauen und wiederholbaren Ergebnisse:

 

a) die Prüfmethode entspricht der Norm ASTM B527-20
b) das Prüfgerät verfügt über eine Vorrichtung, die den Zylinder dreht, um eine mögliche Trennung der Masse während des Anzapfens zu minimieren
c) die Zylinder sind graduiert und werden aus drei verschiedenen Winkeln abgelesen, wie in Abbildung 3 gezeigt, und dann wird ein Mittelwert aus allen drei Ablesungen ermittelt, um einen Durchschnittswert zu bestimmen, der zur Berechnung der angezapften Dichte verwendet wird.

 

 

Abbildung 2: (a) Veränderung des Probenvolumens während des Klopfens, (b) 10 wiederholte Messungen der Klopfdichte

 

 

Abbildung 3. Das BeDensi T2 Pro mit den leicht ablesbaren Messzylindern

 

 

3.2 Partikelgrößenverteilung (PSD)

 

Nach den Messungen der Klopfdichte wurden die Partikelgrößenverteilungen (PSD) der beiden LFP untersucht. Die in Abbildung 4 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die PSDs beider Proben den gleichen Bereich von 0,28 bis 38,41μm aufweisen, während die D50 für LFP-2 9,21μm beträgt, verglichen mit 4,08μm für LFP-1.

 

Abbildung 4. Die PSD von zwei Proben im Bereich von 0,28 bis 38,41

 

 

Tabelle 2. Theoretische und geklopfte Dichte der Kathodenmaterialien.

                            

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

 

 

Beide Proben haben also den gleichen PSD-Bereich, wobei die D50 von LFP-1 kleiner ist als die von LFP-2, was zu einer niedrigeren Klopfdichte führt. Ying et al. berichteten, dass die Klopfdichte umso geringer ist, je kleiner die durchschnittliche Partikelgröße ist. ^[4] In diesem Fall führt eine Verlängerung der Mahldauer zu einer Verringerung der Partikelgröße, wie LFP-1 in Abbildung 4 zeigt.

 

 

Die daraus resultierende Verringerung der Größe führt zu einer geringeren Dichte, die ein größeres Volumen in diesen Proben einnimmt. Um die Beziehung zwischen Stampfdichte und PSD zu verstehen, sind der Stampfdichtetester und der Laserbeugungsanalysator notwendig, um den Produktionsprozess zu optimieren und hochwertige LIBs herzustellen.

 

 

Schlussfolgerung

 

Die Berichte, die das Gerät der BeDensi T Pro Serie anzeigt, bestätigen, dass die optimale Stampfdichte durch Abstimmung der Partikelgrößenverteilung erreicht wurde. Als eine der wichtigsten Eigenschaften des Kathodenelektrodenmaterials sollte die Stampfdichte während des Herstellungsprozesses verbessert werden, damit Li-Ionen-Batterien mehr Energie im gleichen Materialvolumen speichern können. Daher ist es für LIB-Hersteller notwendig, ein einfach zu bedienendes und hocheffizientes Prüfgerät für die Stampfdichte einzusetzen, um die Stampfdichte der Elektrodenmaterialien in kürzester Zeit zu charakterisieren. Die BeDensi T Pro Serie eignet sich ideal für die Messung von Elektrodenmaterialien in der Forschung, in den Entwicklungsphasen und bei der Produktionskontrolle.

 

 

Referenz

 

[1] El Kharbachi, A., et al. Exploits, advances and challenges benefiting beyond Li-Ion battery technologies. J. Alloys Compd., 817 (2020)

 

[2] Yang, S., et al. High Tap Density Spherical Li[Ni0_.5Mn0.3Co0.2]_O2 Cathode Material Synthesized via Continuous Hydroxide Coprecipitation Method for Advanced Lithium-Ion Batteries. Int. J. Electrochem., 9 (2012).

 

[3] ASTEM B527-20 Standard: Test Method for Tap Density of Metal Powders and Compounds.

 

[4] Ying J, et al. Preparation and characterization of highdensity spherical LiNi0_.8Co0.2O2 cathode material for lithium secondary batteries. J. Power Sources, 99 (2001)

 

 

 

Über den Autor

        

Perfil Liu Senior Anwendungsingenieur @ Bettersize Instruments

 

 

        

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