Application de l'analyseur laser de la taille des particules aux matériaux des cathodes des batteries au lithium
2021-03-23Application Note
Afin d'obtenir des performances élevées en matière de stockage d'énergie, de stabilité et de sécurité, il est nécessaire de contrôler rigoureusement la distribution granulométrique des matériaux de cathode des batteries au lithium. Il est donc important pour les fabricants de batteries de mesurer rapidement et facilement la distribution granulométrique des matériaux d'électrodes à l'aide de l'analyseur granulométrique laser Bettersizer 2600.
| Produit | Bettersizer 2600 |
| Secteur d'activité | Batteries et énergie |
| Échantillon | Cathode de batterie au lithium |
| Type de mesure | Taille des particules |
| Technologie de mesure | Diffraction laser |
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Introduction
Avec le développement rapide de nouvelles formes d'énergie, en particulier pour l'industrie automobile et les dispositifs portables intelligents, la recherche et la production de matériaux de cathode pour les batteries au lithium ont progressivement attiré l'attention du monde entier. L'un des principaux domaines de recherche est le développement de matériaux de cathode pour batteries lithium-ion à haute capacité, à long cycle de vie, à haute performance en matière de sécurité et à bas prix. Les efforts déployés dans ce domaine sont devenus l'axe principal de l'industrie des batteries et connaissent un développement rapide. Selon les statistiques, au début du mois de janvier 2021, les batteries lithium-ion étaient en pleine production dans l'industrie automobile et les commandes de fin d'année sont montées en flèche. Cette situation a entraîné une pénurie de matières premières de haute performance en amont, notamment en ce qui concerne l'approvisionnement en matériaux de cathode pour les batteries lithium-ion.
En général, les matériaux de cathode des batteries lithium-ion comprennent le phosphate de fer lithié, l'oxyde de cobalt lithié, le carbonate de lithium et les matériaux ternaires à forte teneur en nickel. La taille et la distribution des particules de tous les matériaux de cathode affectent directement les performances de charge et de décharge de ces batteries. Il est donc extrêmement important de mesurer la distribution de la taille des particules des matériaux de cathode des batteries lithium-ion au cours du développement et de la production de ces batteries.
Le phosphate de fer lithié est un matériau de cathode couramment utilisé pour les batteries lithium-ion. La distribution de la taille des particules détermine les performances de traitement et d'application du phosphate de fer lithié dans les batteries lithium-ion. Dans cette note d'application, le granulomètre laser Bettersizer 2600 a été utilisé pour mesurer la distribution granulométrique de 5 échantillons de phosphate de fer lithié.
Granulomètre laser Bettersizer 2600
Distributions granulométriques des particules de phosphate de fer lithié
Figure 1. Distribution granulométrique des particules de phosphate de fer lithié
Valeurs typiques de la taille des particules de phosphate de fer lithié
Tableau 1. Valeurs typiques de la taille des particules de phosphate de fer lithié
| Échantillon | 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 |
Comme le montre la figure 1, les tailles moyennes des particules de phosphate de fer lithié A, B et C étaient beaucoup plus petites que les tailles moyennes des particules D et E. En général, la taille moyenne des particules de phosphate de fer lithié a une grande influence sur les caractéristiques électrochimiques des batteries lithium-ion. Les petites particules peuvent augmenter la surface spécifique des matériaux actifs dans les batteries lithium-ion et raccourcir le chemin de diffusion des ions lithium dans la batterie, favorisant ainsi la réactivité électrochimique des batteries lithium-ion.[1].
Cependant, si la taille des particules de phosphate de fer et de lithium est trop petite, les particules s'agglomèrent facilement. Cela entraîne une diminution de la conductivité des électrons et du coefficient de diffusion de la phase solide, ce qui augmente la résistance interne des batteries lithium-ion. Une partie du courant électrique sera convertie en énergie thermique sous l'influence d'une résistance interne élevée. Cela entraîne une perte importante de chaleur de la batterie lithium-ion, ce qui affecte finalement la capacité et les performances de décharge de la batterie.
Selon les informations fournies par un fabricant bien connu de phosphate de fer lithié, la plupart des D50 des produits à base de phosphate de fer lithié se situent entre 1μm et 2,5μm. Il a été constaté que les propriétés électrochimiques sont optimales dans cette gamme de tailles, car elles permettent aux performances de décharge des batteries lithium-ion d'atteindre des niveaux optimaux. En outre, les D50 d'une petite quantité de particules de phosphate de fer lithié se situent dans la plage de 3,5μm-8μm, comme les échantillons D et E, ce qui entraîne une résistance interne élevée et de mauvaises caractéristiques électrochimiques, diminuant ainsi la durée de vie prévue, la capacité utilisable, les taux de charge et de décharge et la sécurité de la batterie au lithium-ion.
Comme le montre le tableau 1, la taille moyenne des particules de phosphate de fer lithié A, B et C était d'environ 1μm, tandis que la taille moyenne des particules de D et E était comprise entre 4μm et 10μm. Pour l'échantillon E, les particules de taille excessive peuvent dégrader le coefficient de diffusion en phase solide de l'ion lithium dans les matériaux actifs, ce qui entraîne une augmentation de la résistance interne et une réduction de la charge effective.
Mesures multiples du même échantillon de phosphate de fer lithié.
Figure 2. Test de répétabilité de l'échantillon A
La figure 2 montre que les mesures multiples du phosphate de fer-lithium par le Bettersizer 2600 présentent une bonne répétabilité des résultats. Les valeurs de répétabilité pour D10, D50 et D90 sont respectivement de 0,13 %, 0,07 % et 0,09 %, ce qui est bien inférieur aux exigences de la norme ISO 13320 [2].[2]. Par conséquent, l'utilisation du Bettersizer 2600 pour mesurer la distribution granulométrique du phosphate de fer lithié présente une répétabilité élevée.
Conclusion
La distribution des tailles de particules des matériaux de la cathode des batteries lithium-ion est essentielle pour affecter les performances d'une batterie. Pour un matériau d'anode et une taille de cellule donnés, la distribution de la taille des particules du matériau de cathode peut être ajustée pour optimiser l'énergie et la puissance des batteries au lithium. Afin d'obtenir des performances élevées en matière de stockage d'énergie, de stabilité et de sécurité, il est nécessaire de contrôler rigoureusement la distribution des tailles de particules des matériaux de cathode des batteries au lithium. Il est donc important que les fabricants de batteries puissent mesurer rapidement et facilement la distribution granulométrique des matériaux d'électrode grâce à l'analyseur granulométrique laser Bettersizer 2600.
Référence
[1] Battery materials for ultrafast charging and discharging, B Kang, G Ceder, Nature, 12 mars 2009, vol 458.
[2] ISO 13320 (2009) Analyse granulométrique - Méthodes de diffraction laser.
À propos de l'auteur
 | Fangfang Zhang Ingénieur d'application @ Bettersize Instruments |
| Découvrez les secrets des batteries lithium-ion haute performance grâce à cette collection de SEPT notes d'application sur les batteries. (pdf) |  |
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