Mejorar la densidad del material del cátodo para que una batería de iones de litio contenga más energía
2021-11-08Application Note
La densidad de toma es una de las dos propiedades físicas importantes de los materiales de electrodo y afecta a la densidad energética de una batería de iones de litio (LIB). La otra propiedad física importante es la distribución del tamaño de las partículas, que proporciona la información adecuada para optimizar los parámetros de molienda durante la producción. La mejora de la densidad de derivación también puede optimizar la alta densidad energética durante la fabricación de la LIB.
Por lo tanto, es necesario que el fabricante de la LIB determine de antemano cuál es la densidad de derivación más óptima y alcanzable y, a continuación, utilice este parámetro como 'patrón oro' para medir muestras del proceso durante la producción hasta que coincidan o se aproximen a la medición del 'patrón oro'. La serie BeDensi T Pro, fácil de usar, es un medidor de densidad de aterrajado ideal porque es un dispositivo económico que ofrece un rendimiento excepcional sin compromisos.
| Producto | Serie BeDensi T Pro, Bettersizer ST |
| Industria | Batería y Energía |
| Muestra | LiFePO4 |
| Tipo de medición | Características del polvo, distribución granulométrica |
| Tecnología de medición | Caracterización de polvos, difracción láser |
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1. Introducción
La batería de iones de litio (LIB) se utiliza ampliamente en productos 3C (informática, comunicaciones y electrónica de consumo), también conocidos como 'aparatos de información'. Dado que el tamaño de los productos 3C no es grande, a menudo se denominan 'pequeños electrodomésticos 3C'. Como se muestra en la imagen de la Figura 1a, otros dispositivos que utilizan LIB son los vehículos electrónicos y los sistemas estacionarios de almacenamiento de energía. La LIB se utiliza entre todas las demás opciones porque tiene la mayor densidad energética de las baterías recargables prácticas, como demuestra el gráfico de la Figura 1b.
Figura 1b Aplicaciones de la batería de iones de litio (a) y densidad energética de las baterías recargables (b).
Debido a estas aplicaciones de volumen limitado, la densidad de energía volumétrica de una pila es un parámetro necesario a tener en cuenta. La densidad de energía volumétrica es la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen y suele expresarse en vatios-hora por litro (Wh/L). Una batería de iones de litio con una mayor densidad energética volumétrica almacenará más energía que otra de volumen similar con una densidad energética menor. Además, al instalar la LIB en el producto adecuado suele haber una limitación de tamaño, por lo que una LIB de menor tamaño y mayor densidad energética es una ventaja definitiva en sistemas con limitaciones de volumen. Hasta ahora, aunque se han realizado numerosos estudios para aumentar la densidad energética y la potencia de las LIB, la capacidad de almacenamiento de energía conseguida sigue siendo insuficiente para satisfacer la creciente demanda de los mercados. [1]
Para conseguir una alta densidad volumétrica de energía, los materiales activos del electrodo catódico de la LIB deben tener una alta densidad de toma. La tabla 1 muestra la diferencia entre la densidad teórica y la densidad de penetración de los materiales activos en un cátodo típico. Estos materiales activos incluyen LiCoO2 (LCO), Li (NixCoyMnz)O2 (NCM), LiFePO4 (LFP) y LiMn2O4. En general, la densidad de toma está masivamente relacionada con el tamaño de partícula, la distribución del tamaño de partícula, la morfología, etc. [2] Se espera que la densidad pueda mejorarse optimizando el proceso de producción. En concreto, se pueden optimizar varios parámetros, como la preparación del precursor, la calcinación y la molienda. Los materiales activos catódicos se mezclan con un aglutinante o agente conductor y se recubren sobre un colector de aluminio seguido de un prensado con rodillo. La densidad de empaquetamiento de los electrodos se mejorará para retener más energía con el mismo volumen.
Tabla 1. Densidad teórica y teórica de los materiales catódicos.
| Materiales del cátodo | Li(NixCoyMnz)O2 | LiFePO4 | LiMn2O4 | LiCoO2 |
| Densidad teórica (g/cm3) | 4.85 | 3.60 | 4.31 | 5.10 |
| Densidad de extracción (g/cm3) | 2.6-2.8 | 0.80-1.10 | 2.20-2.40 | 2.80-3.00 |
El tiempo de molienda influye directamente en la distribución del tamaño de las partículas (PSD) de los materiales en polvo del cátodo. La PSD tiene una gran influencia en la densidad de molienda. El objetivo principal de esta nota de aplicación era ver la relación de la PSD en la densidad de roscado de los materiales de cátodo LIB.
2. Experimental
Las densidades tapped de dos muestras de LiFePO4 (LFP) preparadas bajo diferentes tiempos de molienda se caracterizaron utilizando el BeDensi T2 con dos estaciones de trabajo. Los experimentos se realizaron de acuerdo con la norma ASTM B527-20, utilizando 50g de muestra para verter en el cilindro. [3] La altura de gota utilizada fue de 3 mm y la velocidad de golpeo fue de 200 golpes/min y el tiempo total de golpeo duró 8 minutos. La distribución granulométrica de las muestras se midió en menos de un minuto mediante difracción láser utilizando el Bettersizer ST.
3. Resultados
3.1 Densidad de roscado
La figura 2a muestra que el volumen roscado de los polvos LFP-1 y LFP-2 es de 55,5 ml y 46,0 ml, respectivamente. Los informes de cálculo del instrumento muestran que la densidad de extracción para LFP-1 fue de 0,89 (g/cm3 ) para LFP-2 fue de 1,08 (g/cm3 ). En la figura 2b se indican 10 réplicas para cada muestra, lo que confirma que los resultados de la prueba fueron altamente repetibles. Hay tres razones que explican la precisión y repetibilidad de los resultados:
a) el método de ensayo cumple la norma ASTM B527-20
b) la máquina de ensayo dispone de un dispositivo que hace girar el cilindro para minimizar cualquier posible separación de la masa durante la toma
c) los cilindros están graduados y se leen desde 3 ángulos diferentes, como se muestra en la figura 3, y luego se obtiene un valor medio de las tres lecturas para determinar un valor medio que se utiliza para calcular la densidad de toma.
Figura 2. (a) cambios en el volumen de la muestra durante el roscado, (b) 10 mediciones repetidas de la densidad de roscado
Figura 3. El BeDensi T2 Pro El BeDensi T2 Pro con las probetas graduadas de fácil lectura
3.2 Distribución del tamaño de las partículas (PSD)
Tras las mediciones de la densidad de toma, se estudiaron las distribuciones granulométricas (PSD) de los dos LFP. Los resultados, que se muestran en la Figura 4, muestran que las PSD de ambas muestras tienen el mismo rango de 0,28 a 38,41μm, mientras que la D50 de LFP-2 es de 9,21μm, frente a 4,08μm de LFP-1.
Figura 4. La PSD de dos muestras que oscilan entre 0,28 y 38,41μm.
Tabla 2. Densidad teórica y de toma de los materiales catódicos.
| Muestra | Dmin (μm) | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) | Dmáx (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 |
Así pues, ambas muestras tienen el mismo rango de PSD, mientras que la D50 de LFP-1 es menor que la de LFP-2, lo que da lugar a una densidad de grifo menor. Ying et al. informaron de que cuanto menor es el tamaño medio de las partículas, menor es la densidad de golpeo. [4] En este caso, el aumento del tiempo de molienda reducirá el tamaño de partícula, como ilustra LFP-1 en la figura 4.
El efecto resultante de esta reducción del tamaño conduce a una disminución de la densidad ocupando un mayor volumen en estas muestras. Para comprender la relación entre la densidad de molienda y la PSD, es necesario utilizar el medidor de densidad de molienda y el analizador de difracción láser para optimizar el proceso de producción y fabricar LIBs de alta calidad.
Conclusión
Los informes que muestra el instrumento BeDensi T Pro Series confirman que se ha alcanzado la densidad de tapping óptima mediante el ajuste de la distribución del tamaño de partícula. Como una de las propiedades importantes del material del electrodo catódico, la densidad de penetración debe mejorarse durante el proceso de preparación para que las baterías de iones de litio contengan más energía en el mismo volumen de material. Por lo tanto, es necesario que los fabricantes de baterías de iones de litio empleen un comprobador de densidad de derivación fácil de usar y muy eficaz para caracterizar la densidad de derivación de los materiales de electrodo en un tiempo rápido. La serie BeDensi T Pro es idónea para medir los materiales de los electrodos para la investigación, las pruebas de las fases de desarrollo y el control de la producción.
Referencia
[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] Norma ASTEM B527-20: Método de ensayo para la densidad de toma de polvos y compuestos metálicos.
[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)
Sobre el autor
 | Perfil Liu Ingeniero superior 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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