Investigación de la influencia del tamaño y la forma de las partículas en la densidad energética del ánodo de las baterías de iones de litio
2022-04-15Application Note
El tamaño y la forma de las partículas son dos de los principales parámetros que determinan la capacidad de almacenamiento de energía del ánodo de las baterías de litio, que deben supervisarse y controlarse dentro de un rango óptimo para mejorar la eficiencia del proceso de fabricación. Según la norma china GB/T 38887-2020, la circularidad y el tamaño de las partículas de grafito deben medirse mediante el método de imagen dinámica y el método de difracción láser, respectivamente. El método tradicional requiere al menos dos instrumentos para obtener individualmente los resultados del tamaño y la forma de las partículas. El Bettersizer S3 Plus, con difracción láser y tecnología de imagen dinámica en un solo instrumento, es la selección óptima para que los fabricantes obtengan los resultados del tamaño y la forma de las partículas en una sola medición.
| Producto | Bettersizer S3 Plus |
| Industria | Batería y Energía |
| Muestra | Grafito |
| Tipo de medición | Tamaño de partículas, Forma de partículas |
| Tecnología de medición | Difracción láser, análisis dinámico de imágenes |
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Introducción
Las baterías de iones de litio (LIB) se han utilizado ampliamente en diversas aplicaciones debido a sus ventajas de larga vida de almacenamiento, ausencia de efecto memoria y baja tasa de autodescarga. Con el rápido aumento de la demanda de LIBs en productos eléctricos, la producción de baterías de mayor densidad energética ha captado la atención de los fabricantes debido a la necesidad de almacenar más energía.
La densidad energética del ánodo puede mejorarse significativamente optimizando el tamaño y la forma de las partículas de grafito. Básicamente, el tamaño adecuado de las partículas de grafito es de unos 20 μm, cuando las baterías tienen mejor capacidad de almacenamiento de energía. Además, el almacenamiento de energía está directamente influido por la circularidad del grafito. Las partículas de grafito con mayor circularidad darán lugar a una mayor densidad de toma. Para almacenar más energía, la densidad óptima del grafito debe ser superior a 1 g/mL. El laboratorio Bettersize realizó un experimento con el Bettersizer S3 Plus para investigar cómo el tamaño y la forma de las partículas afectan significativamente a la densidad de energía de las LIBs.
Figura 1. Sistema óptico del Bettersizer S3 Plus Sistema óptico del Bettersizer S3 Plus
Resultado
Distribución del tamaño de las partículas
El tamaño de partícula y la distribución del tamaño de partícula de las muestras de grafito se midieron sólo con difracción láser con el Bettersizer S3 Plus. La distribución del tamaño de partícula de las tres muestras se muestra en la Figura 2, y los valores de tamaño típicos se muestran en la Tabla 1. A partir de la Figura 2, el tamaño de partícula aumenta eventualmente de la Muestra A a la Muestra C. El valor de tamaño medio (D50) de las tres muestras es de 6,804 μm, 15,98 μm y 23,72 μm, respectivamente.
Figura 2. Distribución del tamaño de las partículas de tres muestras de grafito
Tabla 1. Valores típicos del tamaño de las partículas de las muestras de grafito
| Muestra | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) |
| Muestra A | 4.264 | 6.804 | 10.49 |
| Muestra B | 9.220 | 15.98 | 27.18 |
| Muestra C | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
El tamaño de las partículas modifica el rendimiento de la intercalación del litio, lo que se refleja en la capacidad reversible inicial, la capacidad irreversible y el rendimiento cíclico de las BIL. El estudio indica que, a medida que aumenta el tamaño de las partículas, disminuye la capacidad irreversible inicial. La capacidad reversible aumenta a medida que aumenta el tamaño de partícula y alcanza su máximo a 20 μm. La muestra de grafito de 20 μm tiene el mejor rendimiento de acumulación de energía entre las muestras de grafito de 13 - 80 μm. [1]. La muestra B y la muestra C tienen valores D50 cercanos a 20 μm, por lo que se espera que sean mejores que la muestra A en el almacenamiento de energía.
Forma de las partículas
El Bettersizer S3 Plus puede analizar parámetros de forma utilizando únicamente el análisis dinámico de imágenes. Se mide la circularidad de tres muestras de grafito, y los resultados se muestran en la Tabla 2. La circularidad media (C50) de tres muestras de grafito es de 0,862, 0,896 y 0,876, respectivamente. La densidad de la muestra B (1,01 g/mL) es superior a la de las otras dos muestras de grafito.
Tabla 2. Circularidad y densidad Circularidad y densidad de toma de las muestras de grafito
| Muestra | Circularidad | Densidad de toma (g/mL) | ||
| C10 | C50 | C90 | ||
| Muestra A | 0.813 | 0.862 | 0.917 | 0.85 |
| Muestra B | 0.842 | 0.896 | 0.950 | 1.01 |
| Muestra C | 0.774 | 0.876 | 0.924 | 0.95 |
El ánodo tiende a retener más energía cuando tiene una alta densidad volumétrica de energía, impactada por la densidad de derivación. En la fabricación de ánodos, la densidad de derivación ideal para el grafito esférico es superior a 1 g/mL. [2]. La densidad de derivación aumenta a medida que aumenta el tamaño de las partículas, por lo que la Muestra A tiene el tamaño de partícula más pequeño con la densidad de derivación más pequeña. No sólo el tamaño de las partículas, sino también la forma de las materias primas pueden influir en la densidad de aterrajado. Según los estudios, la densidad de aterrajado tiene una correlación positiva con la circularidad [3], lo que interpreta que la Muestra B (1,01 g/mL) tiene una densidad de extracción mayor que la Muestra C (0,95 g/mL). Basándose en los resultados de la densidad y el tamaño de las partículas, se prevé que la muestra B tenga la mejor capacidad de retención de energía de las tres muestras.
Repetibilidad
La repetibilidad es un parámetro importante de la medición del tamaño de las partículas. Según la Figura 3, las tres réplicas de la Muestra C tienen distribuciones de tamaño de partícula casi próximas.
Figura 3. Repetibilidad de la muestra C Repetibilidad de la muestra C
| Muestras | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) |
| Muestra C-1 | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
| Muestra C-2 | 11.55 | 23.74 | 40.09 |
| Muestra C-3 | 11.54 | 23.76 | 40.24 |
| Repetibilidad | 0.28% | 0.08% | 0.33% |
Tabla 3. Repetibilidad de los valores típicos de tamaño de partícula
La Tabla 3 muestra la repetibilidad de los valores típicos de la Muestra C. La repetibilidad para los valores de tamaño D10, D50 y D90 son 0,28%, 0,08% y 0,33%, respectivamente. El Bettersizer S3 Plus es fiable por su alta repetibilidad.
Conclusión
El tamaño y la forma de las partículas son dos parámetros principales que determinan la capacidad de almacenamiento de energía para el ánodo en las LIBs, que deben ser monitorizados y controlados dentro de un rango óptimo para mejorar la eficiencia del proceso de fabricación. Según la norma china GB/T 38887-2020, la circularidad y el tamaño de las partículas de grafito deben medirse mediante el método de imagen dinámica y el método de difracción láser, respectivamente. [4]. El método tradicional requiere al menos dos instrumentos para obtener individualmente los resultados del tamaño y la forma de las partículas. El Bettersizer S3 Plus, con difracción láser y tecnología de imagen dinámica en un solo instrumento, es la selección óptima para que los fabricantes obtengan los resultados del tamaño y la forma de las partículas en una sola medición.
Referencia
[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. Minas no metálicas, 38(3).
[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L., & Chen, H. (2021). Process para meters optimization of natural graphite spheroidization. China Powder Science and Technology, 27(4).
[4] GB/T 38887-2020 - grafito esférico.
Sobre el autor
 | Xiurong Qiu 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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