Améliorer la densité du matériau de la cathode pour permettre à une batterie lithium-ion de conserver plus d'énergie
2021-11-08Application Note
La densité de piquage est l'une des deux propriétés physiques importantes des matériaux d'électrode et influe sur la densité énergétique d'une batterie Li-ion (LIB). L'autre propriété physique importante est la distribution de la taille des particules, qui fournit les informations appropriées pour optimiser les paramètres de broyage pendant la production. L'amélioration de la densité de piquage peut également optimiser la densité énergétique élevée pendant la fabrication de la batterie Li-ion.
Il est donc nécessaire pour le producteur de batteries Li-ion de déterminer à l'avance la densité de piquage la plus optimale et la plus réalisable, puis d'utiliser ce paramètre comme 'étalon-or' pour mesurer des échantillons du processus pendant la production jusqu'à ce qu'ils correspondent ou se rapprochent de la mesure de 'l'étalon-or'. La série BeDensi T Pro, facile à utiliser, est un testeur de densité taraudée idéal, car il s'agit d'un appareil économique qui offre des performances exceptionnelles sans compromis.
| Produit | Série BeDensi T Pro, Bettersizer ST |
| Secteur d'activité | Batteries et énergie |
| Exemple | LiFePO4 |
| Type de mesure | Caractéristiques de la poudre, distribution de la taille des particules |
| Technologie de mesure | Caractérisation des poudres, diffraction laser |
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1. Introduction
La batterie Li-ion (LIB) est largement utilisée dans les produits 3C (informatique, communication et électronique grand public), également connus sous le nom d''appareils d'information'. La taille des produits 3C n'étant pas très importante, ils sont souvent appelés 'petits appareils 3C'. Comme le montre l'image de la figure 1a, les véhicules électroniques et les systèmes de stockage d'énergie stationnaires sont d'autres dispositifs utilisant la LIB. La LIB est utilisée parmi tous les autres choix parce qu'elle a la densité énergétique la plus élevée des batteries rechargeables pratiques, comme le montre le graphique de la figure 1b.
Figure 1. Applications des batteries Li-ion (a) et densité énergétique des batteries rechargeables (b).
En raison de ces applications à volume limité, la densité énergétique volumétrique d'une batterie est un paramètre nécessaire à prendre en compte. La densité énergétique volumétrique est la quantité d'énergie stockée par unité de volume et est généralement exprimée en wattheures par litre (Wh/L). Une batterie Li-ion ayant une densité d'énergie volumétrique plus élevée contiendra plus d'énergie qu'une batterie de même volume ayant une densité d'énergie plus faible. En outre, lors de l'installation de la batterie dans le produit approprié, il y a souvent une limitation de taille, de sorte qu'une batterie LIB de plus petite taille et à plus forte densité énergétique constitue un avantage certain dans les systèmes à volume limité. Jusqu'à présent, bien que des études approfondies aient été menées pour augmenter la densité énergétique et la puissance des piles à combustible, la capacité de stockage d'énergie obtenue n'est toujours pas suffisante pour répondre à la demande croissante du marché. [1]
Pour obtenir une densité énergétique volumétrique élevée, les matériaux actifs de l'électrode de la cathode LIB doivent avoir une densité élevée. Le tableau 1 montre la différence entre les densités théoriques et les densités exploitées des matériaux actifs dans une cathode typique. Ces matériaux actifs comprennent LiCoO2 (LCO), Li (NixCoyMnz)O2 (NCM), LiFePO4 (LFP) et LiMn2O4. En général, la densité de prélèvement est massivement liée à la taille des particules, à leur distribution, à leur morphologie, etc. [2] On s'attend à ce que la densité puisse être améliorée en optimisant le processus de production. Plusieurs paramètres peuvent être spécifiquement optimisés, tels que la préparation des précurseurs, la calcination et le broyage. Les matériaux actifs de la cathode sont mélangés à un liant ou à un agent conducteur et enduits sur un collecteur en aluminium, puis pressés au rouleau. La densité d'emballage des électrodes sera améliorée pour contenir plus d'énergie avec le même volume.
Tableau 1. Densité théorique et densité de prélèvement des matériaux cathodiques.
| Matériaux de cathode | Li (NixCoyMnz)O2 | LiFePO4 | LiMn2O4 | LiCoO2 |
| Densité théorique (g/cm3) | 4.85 | 3.60 | 4.31 | 5.10 |
| Masse volumique prélevée (g/cm3) | 2.6-2.8 | 0.80-1.10 | 2.20-2.40 | 2.80-3.00 |
La durée du broyage influence directement la distribution de la taille des particules (PSD) des matériaux en poudre de la cathode. La distribution de la taille des particules a une grande influence sur la densité. L'objectif principal de cette note d'application était d'étudier la relation entre la distribution de la taille des particules et la densité des matériaux de cathode LIB.
2. Expériences
Les densités de prélèvement de deux échantillons de LiFePO4 (LFP) préparés avec différents temps de broyage ont été caractérisées à l'aide du BeDensi T2 équipé de deux postes de travail. Les expériences ont été testées conformément à la norme ASTM B527-20, avec un échantillon de 50 g à verser dans le cylindre. [3] La hauteur de la goutte utilisée était de 3 mm et la vitesse de taraudage était de 200 tarauds/minute, la durée totale du taraudage étant de 8 minutes. La distribution de la taille des particules des échantillons a été mesurée en moins d'une minute par diffraction laser à l'aide du Bettersizer ST.
3. Résultats
3.1 Densité d'écrasement
La figure 2a montre que le volume prélevé des poudres LFP-1 et LFP-2 est respectivement de 55,5 ml et 46,0 ml. Les rapports de calcul de l'instrument indiquent que la densité prélevée pour le LFP-1 était de 0,89 (g/cm3 ) et pour le LFP-2 de 1,08 (g/cm3 ). La figure 2b indique 10 répétitions pour chaque échantillon, ce qui confirme que les résultats des tests sont très reproductibles. Trois raisons expliquent la précision et la répétabilité des résultats :
a) la méthode d'essai est conforme à la norme ASTM B527-20
b) le testeur est équipé d'un dispositif qui fait tourner le cylindre afin de minimiser toute séparation possible de la masse pendant le prélèvement
c) les cylindres sont gradués et sont lus sous trois angles différents, comme le montre la figure 3, puis une valeur moyenne est obtenue à partir des trois lectures afin de déterminer une valeur moyenne qui est utilisée pour calculer la masse volumique prélevée.
Figure 2: (a) variations du volume de l'échantillon pendant le prélèvement, (b) 10 mesures répétées de la densité prélevée.
Figure 3. Le BeDensi T2 Pro avec les cylindres gradués faciles à lire.
3.2 Distribution de la taille des particules (DSP)
Après les mesures de densité par prélèvement, les distributions granulométriques (PSD) des deux LFP ont été étudiées. Les résultats, présentés dans la figure 4, montrent que les PSD des deux échantillons ont la même plage de 0,28 à 38,41μm, tandis que le D50 du LFP-2 est de 9,21μm, contre 4,08μm pour le LFP-1.
Figure 4. DSP de deux échantillons allant de 0,28 à 38,41 %.
Tableau 2. Densité théorique et volumétrique des matériaux cathodiques.
| Échantillon | Dmin (μm) | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) | Dmax (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 |
Les deux échantillons ont donc la même plage de DSP, mais le D50 du LFP-1 est plus petit que celui du LFP-2, ce qui se traduit par une densité de prélèvement plus faible. Ying et al. ont indiqué que plus la taille moyenne des particules est petite, plus la densité de prélèvement est faible. [4] Dans ce cas, l'augmentation de la durée de broyage réduira la taille des particules, comme l'illustre le LFP-1 dans la figure 4.
L'effet résultant de cette réduction de la taille entraîne une diminution de la densité qui occupe un volume plus important dans ces échantillons. Pour comprendre la relation entre la densité de prélèvement et la DSP, le testeur de densité de prélèvement et l'analyseur de diffraction laser sont nécessaires pour optimiser le processus de production et fabriquer des LIB de haute qualité.
Conclusion
Les rapports affichés par l'instrument BeDensi T Pro Series confirment que la densité de ponction optimale a été atteinte en ajustant la distribution de la taille des particules. Étant l'une des propriétés importantes du matériau d'électrode cathodique, la densité de piquage doit être améliorée au cours du processus de préparation afin que les batteries Li-ion puissent contenir plus d'énergie dans le même volume de matériau. C'est pourquoi les fabricants de batteries LIB doivent utiliser un testeur de densité de piquage facile à utiliser et très efficace pour caractériser la densité de piquage des matériaux d'électrode en un temps record. La série BeDensi T Pro convient parfaitement à la mesure des matériaux d'électrode pour la recherche, les étapes de développement, les essais et le contrôle de la production.
Références
[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 (Matériau cathodique Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2] O2 synthétisé via une méthode de précipitation continue d'hydroxyde pour les batteries lithium-ion avancées). Int. J. Electrochem. 9 (2012).
[3] Norme ASTEM B527-20 : Méthode d'essai pour la densité de claquage des poudres et composés métalliques.
[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)
A propos de l'auteur
 | Perfil Liu Ingénieur d'application principal @ 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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