Aplicación del analizador láser de tamaño de partículas en materiales de cátodos de baterías de litio
2021-03-23Application Note
Para conseguir un alto rendimiento de almacenamiento de energía, estabilidad y seguridad, es necesario controlar estrictamente las distribuciones granulométricas de los materiales de cátodo de las baterías de litio. Por ello, es importante que los fabricantes de baterías midan la distribución granulométrica de los materiales de los electrodos de forma rápida y sencilla, con el analizador láser granulométrico Bettersizer 2600.
| Producto | Bettersizer 2600 |
| Industria | Baterías y energía |
| Muestra | Cátodo de batería de litio |
| Tipo de medición | Tamaño de partículas |
| Tecnología de medición | Difracción láser |
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Introducción
Con el rápido desarrollo de nuevas formas de energía, especialmente para la industria automovilística y los dispositivos wearables inteligentes, la investigación y producción de materiales catódicos para baterías de litio ha ido alcanzando una atención mundial. Una de las principales áreas de investigación es el desarrollo de materiales catódicos para baterías de iones de litio con una alta capacidad, un largo ciclo de vida, un alto rendimiento de seguridad y un bajo precio. El esfuerzo en este campo se ha convertido en el principal foco de atención de la industria de las baterías y se encuentra en un estado de rápido desarrollo. Según las estadísticas, a principios de enero de 2021, las baterías de iones de litio estaban a pleno rendimiento en la industria automovilística, y los pedidos de fin de año se dispararon. Esto, a su vez, provocó una escasez de materias primas de alto rendimiento, especialmente en el suministro de materiales catódicos para las baterías de iones de litio.
En general, los materiales catódicos de las baterías de iones de litio incluyen fosfato de hierro y litio, óxido de cobalto y carbonato de litio, y materiales ternarios con alto contenido en níquel. El tamaño de las partículas y su distribución afectan directamente al rendimiento de carga y descarga de estas baterías. Por lo tanto, es de extrema necesidad medir la distribución del tamaño de las partículas de los materiales catódicos de las baterías de iones de litio durante el desarrollo y la producción de estas baterías.
El fosfato de hierro y litio es un material catódico muy utilizado en las baterías de iones de litio. Su distribución granulométrica determina el rendimiento del procesamiento y la aplicación del fosfato de hierro y litio en las baterías de iones de litio. En esta nota de aplicación, se utilizó el analizador láser de tamaño de partículas Bettersizer 2600 para medir las distribuciones de tamaño de partículas de 5 muestras de fosfato de hierro y litio.
Analizador láser de tamaño de partículas Bettersizer 2600
Distribuciones granulométricas de partículas de fosfato de hierro y litio
Figura 1. Distribución granulométrica de partículas de fosfato de hierro y litio Distribución granulométrica de partículas de fosfato de hierro y litio
Valores típicos del tamaño de las partículas de fosfato de hierro y litio
Tabla 1. Valores típicos del tamaño de las partículas de fosfato de hierro y litio Valores típicos del tamaño de las partículas de fosfato de hierro y litio
| Muestra | 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 |
Como se muestra en la Figura 1, los tamaños medios de las partículas de fosfato de hierro y litio A, B y C eran mucho menores que los tamaños medios de las partículas de D y E. En general, el tamaño medio de las partículas de fosfato de hierro y litio tiene una gran influencia en las características electroquímicas de las baterías de iones de litio. Las partículas pequeñas pueden aumentar la superficie específica de los materiales activos en las baterías de iones de litio y acortar el camino de difusión de los iones de litio en la batería, favoreciendo así la reactividad electroquímica de las baterías de iones de litio.[1].
Sin embargo, si el tamaño de las partículas de fosfato de hierro y litio es demasiado pequeño, es fácil que se aglomeren. Esto provoca una disminución de la conductividad de los electrones y del coeficiente de difusión en fase sólida, lo que a su vez aumenta la resistencia interna de las baterías de iones de litio. Parte de la corriente eléctrica se convertirá en energía térmica bajo la influencia de la elevada resistencia interna. Esto provoca una importante pérdida de calor de la batería de iones de litio, que en última instancia afecta a la capacidad y al rendimiento de descarga de la batería.
Según los comentarios de un conocido fabricante de fosfato de hierro y litio, la mayoría de los D50 de los productos de fosfato de hierro y litio están en el rango de 1μm-2,5μm. Se ha comprobado que las propiedades electroquímicas son óptimas en este intervalo de tamaño, ya que favorece que el rendimiento efectivo de descarga de la batería de iones de litio alcance niveles óptimos. Además, los D50 de una pequeña cantidad de partículas de fosfato de hierro de litio están en el rango de 3,5μm-8μm, como las muestras D y E, lo que conduce a una alta resistencia interna y características electroquímicas pobres, disminuyendo así la vida útil esperada, la capacidad utilizable, las tasas de carga y descarga, y la seguridad de la batería de iones de litio.
Como puede observarse en la Tabla 1, los tamaños medios de las partículas de fosfato de hierro y litio A, B y C eran de aproximadamente 1μm, mientras que los tamaños medios de las partículas de D y E estaban entre 4μm y 10μm. En el caso de la muestra E, las partículas de tamaño excesivo pueden degradar el coeficiente de difusión en fase sólida del ion litio en los materiales activos, lo que provoca un aumento de la resistencia interna y una reducción de la carga efectiva.
Mediciones múltiples de la misma muestra de fosfato de hierro y litio
Figura 2. Ensayo de repetibilidad de la muestra A Prueba de repetibilidad de la muestra A
En la figura 2 puede observarse que las mediciones múltiples de fosfato de hierro y litio realizadas con el Bettersizer 2600 muestran una buena repetibilidad de los resultados. Los valores de repetibilidad para D10, D50 y D90 son 0,13%, 0,07% y 0,09%, respectivamente, muy por debajo de los requisitos de la norma ISO 13320[2]. Por lo tanto, el uso del Bettersizer 2600 para medir la distribución del tamaño de partícula del fosfato de hierro y litio tiene una alta repetibilidad.
Conclusión
Las distribuciones granulométricas de los materiales catódicos de las baterías de iones de litio son fundamentales para afectar al rendimiento de una batería. Para un material de ánodo y un tamaño de celda determinados, la distribución granulométrica del material de cátodo puede ajustarse para optimizar la energía y la potencia de las baterías de litio. Para lograr un alto rendimiento de almacenamiento de energía, estabilidad y seguridad, es necesario controlar estrictamente las distribuciones de tamaño de partícula de los materiales de cátodo de las baterías de litio. Por lo tanto, es importante que los fabricantes de baterías puedan medir la distribución granulométrica de los materiales de los electrodos de forma rápida y sencilla, con el analizador láser granulométrico Bettersizer 2600.
Referencia
[1] Battery materials for ultrafast charging and discharging, B Kang, G Ceder, Nature, 12 de marzo de 2009, vol 458.
[2] ISO 13320 (2009) Particle size analysis - Laser diffraction methods.
Sobre el autor
 | Fangfang Zhang Ingeniero de aplicaciones @ Bettersize Instruments |
| Descubra los secretos de las baterías de iones de litio de alto rendimiento con la colección de SIETE notas de aplicación sobre baterías. (pdf) |  |
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