Untersuchung des Einflusses von Partikelgröße und -form auf die Energiedichte der Anode von Lithium-Ionen-Batterien

Die Partikelgröße und -form sind zwei wichtige Parameter, die die Energiespeicherkapazität der Anode in LIBs bestimmen. Sie sollten innerhalb eines optimalen Bereichs überwacht und kontrolliert werden, um die Effizienz des Herstellungsprozesses zu verbessern. Gemäß der chinesischen Norm GB/T 38887-2020 sollten die Rundheit und die Partikelgröße von Graphit mit der dynamischen Bildmethode bzw. der Laserbeugungsmethode gemessen werden. Bei der herkömmlichen Methode sind mindestens zwei Geräte erforderlich, um die Ergebnisse für Partikelgröße und -form einzeln zu ermitteln. Der Bettersizer S3 Plus mit Laserbeugung und dynamischer Bildtechnologie in einem Gerät ist die optimale Wahl für Hersteller, die mit einer einzigen Messung Ergebnisse zu Partikelgröße und -form erhalten möchten.

 

                        

Produkt	Bettersizer S3 Plus
Industrie	Batterie und Energie
Muster	Graphit
Messung Typ	Partikelgröße, Partikelform
Messtechnik	Laserbeugung, Dynamische Bildanalyse

 

 

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Einführung

 

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden aufgrund ihrer langen Lebensdauer, des fehlenden Memory-Effekts und der geringen Selbstentladung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Mit der schnell wachsenden Nachfrage nach LIBs in elektrischen Produkten hat die Produktion von Batterien mit höherer Energiedichte die Aufmerksamkeit der Hersteller auf sich gezogen, da sie mehr Energie speichern müssen.

 

 

Die Energiedichte der Anode kann durch die Optimierung der Partikelgröße und -form des Graphits erheblich verbessert werden. Grundsätzlich liegt die geeignete Partikelgröße von Graphit bei etwa 20 μm, wo Batterien eine bessere Energiespeicherkapazität aufweisen. Außerdem wird die Energiespeicherung direkt von der Rundheit des Graphits beeinflusst. Graphitpartikel mit einer höheren Kreisform führen zu einer höheren Stampfdichte. Um mehr Energie zu speichern, sollte die optimale Stampfdichte für Graphit höher als 1 g/ml sein. Das Bettersize-Labor führte ein Experiment mit dem Bettersizer S3 Plus durch, um zu untersuchen, wie Partikelgröße und -form die Energiedichte von LIBs wesentlich beeinflussen.

 

 

Abbildung 1. Optisches System des Bettersizer S3 Plus

 

 

Ergebnis

 

Partikelgrößenverteilung

 

Die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung von Graphitproben wurden mit dem Bettersizer S3 Plus allein mit Laserbeugung gemessen. Die Partikelgrößenverteilung der drei Proben ist in Abbildung 2 dargestellt, und die typischen Größenwerte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Aus Abbildung 2 geht hervor, dass die Partikelgröße von Probe A zu Probe C hin zunimmt. Der Medianwert (D50) der drei Proben beträgt 6,804 μm, 15,98 μm bzw. 23,72 μm.

 

 

Abbildung 2. Partikelgrößenverteilung von drei Graphitproben

 

 

Tabelle 1. Typische Partikelgrößenwerte von Graphitproben

                            

Probe	D10 (μm)	D50 (μm)	D90 (μm)
Probe A	4.264	6.804	10.49
Probe B	9.220	15.98	27.18
Probe C	11.60	23.72	39.98

 

 

Die Partikelgröße verändert die Lithium-Interkalationsleistung, was sich in der anfänglichen reversiblen Kapazität, der irreversiblen Kapazität und der zyklischen Leistung der LIBs widerspiegelt. Die Studie zeigt, dass mit zunehmender Partikelgröße die anfängliche irreversible Kapazität abnimmt. Die reversible Kapazität steigt mit zunehmender Partikelgröße an und erreicht bei 20 μm ihren Höhepunkt. Die Graphitprobe mit einer Größe von 20 μm hat die beste Energiespeicherleistung unter den Graphitproben mit einer Größe von 13 bis 80 μm. ^[1]. Probe B und Probe C weisen D50-Werte nahe 20 μm auf, die bei der Energiespeicherung besser sein dürften als Probe A.

 

 

Form der Partikel

 

Der Bettersizer S3 Plus kann die Formparameter allein mit Hilfe der dynamischen Bildanalyse analysieren. Die Rundheit von drei Graphitproben wurde gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die mittlere Rundheit (C50) der drei Graphitproben beträgt 0,862, 0,896 bzw. 0,876. Die Stampfdichte von Probe B (1,01 g/ml) ist höher als die der anderen beiden Graphitproben.

 

 

Tabelle 2. Zirkularität und Stampfdichte von Graphitproben

                                   

Probe	Rundheit			Gestochene Dichte   (g/ml)
	C10	C50	C90
Probe A	0.813	0.862	0.917	0.85
Stichprobe B	0.842	0.896	0.950	1.01
Probe C	0.774	0.876	0.924	0.95

 

 

Die Anode neigt dazu, mehr Energie zu speichern, wenn sie eine hohe volumetrische Energiedichte aufweist, die durch die Stampfdichte beeinflusst wird. Bei der Anodenherstellung ist die ideale Stampfdichte für kugelförmigen Graphit höher als 1 g/ml ^[2]. Die Stampfdichte steigt mit zunehmender Teilchengröße, so dass Probe A die kleinste Teilchengröße mit der geringsten Stampfdichte aufweist. Nicht nur die Partikelgröße, sondern auch die Form der Rohstoffe könnte die Stampfdichte beeinflussen. Studien zufolge besteht eine positive Korrelation zwischen der Stampfdichte und der Kreisform ^[3]was bedeutet, dass die Probe B (1,01 g/ml) eine größere Stampfdichte aufweist als die Probe C (0,95 g/ml). Auf der Grundlage der Ergebnisse für die Klopfdichte und die Partikelgröße ist davon auszugehen, dass die Probe B von allen drei Proben die beste Energiespeicherkapazität aufweist.

 

 

Wiederholbarkeit

 

Die Wiederholbarkeit ist ein wichtiger Parameter der Partikelgrößenmessung. Abbildung 3 zeigt, dass die drei Wiederholungen der Probe C eine nahezu identische Partikelgrößenverteilung aufweisen.

 

 

Abbildung 3. Reproduzierbarkeit von Probe C

 

                                  

Proben	D10 (μm)	D50 (μm)	D90 (μm)
Probe C-1	11.60	23.72	39.98
Probe C-2	11.55	23.74	40.09
Probe C-3	11.54	23.76	40.24
Wiederholbarkeit	0.28%	0.08%	0.33%

 

Tabelle 3. Wiederholbarkeit der typischen Partikelgrößenwerte

 

 

Tabelle 3 zeigt die Wiederholbarkeit typischer Werte der Probe C. Die Wiederholbarkeit für die Größenwerte D10, D50 und D90 beträgt 0,28%, 0,08% bzw. 0,33%. Der Bettersizer S3 Plus ist mit seiner hohen Wiederholbarkeit zuverlässig.

 

 

Schlussfolgerung

 

Die Partikelgröße und -form sind zwei Hauptparameter, die die Energiespeicherkapazität der Anode in LIBs bestimmen und die innerhalb eines optimalen Bereichs überwacht und gesteuert werden sollten, um die Effizienz des Herstellungsprozesses zu verbessern. Gemäß der chinesischen Norm GB/T 38887-2020 sollten die Rundheit und die Partikelgröße von Graphit mit der dynamischen Bildmethode bzw. der Laserbeugungsmethode gemessen werden ^[4]. Bei der herkömmlichen Methode sind mindestens zwei Geräte erforderlich, um die Ergebnisse der Partikelgröße und -form einzeln zu ermitteln. Der Bettersizer S3 Plus mit Laserbeugung und dynamischer Bildtechnologie in einem Gerät ist die optimale Wahl für Hersteller, die Partikelgröße und -form in einer einzigen Messung ermitteln wollen.

 

 

Referenz

 

[1] Chen, J., Zhou, H., Chang, W., & Ci, Y. (2003). Effect of Particle Size on Lithium Intercalation Performance of Graphite Anode. Acta Physico-Chimica Sinica, 19(03), 278-282.

 

[2] Yan, C., Zhang, M., & Lin, Y. (2015). Effect of Graphite Particle Size on Tap Bulk Density. Non-Metallic Mines, 38(3).

 

[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L., & Chen, H. (2021). Process para meter optimization of natural graphite spheroidization. China Powder Science and Technology, 27(4).

 

[4] GB/T 38887-2020 - sphärischer Graphit.

 

 

 

Über den Autor

        

Xiurong Qiu   Anwendungsingenieur @ Bettersize Instruments

 

 

        

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