Étude de l'influence de la taille et de la forme des particules sur la densité énergétique de l'anode des batteries lithium-ion
2022-04-15Application Note
La taille et la forme des particules sont deux paramètres principaux qui déterminent la capacité de stockage d'énergie de l'anode dans les piles à combustible, et qui doivent être surveillés et contrôlés dans une plage optimale pour améliorer l'efficacité du processus de fabrication. Selon la norme chinoise GB/T 38887-2020, la circularité et la taille des particules de graphite doivent être mesurées respectivement par la méthode de l'image dynamique et la méthode de diffraction laser. La méthode traditionnelle nécessite au moins deux instruments pour obtenir les résultats de la taille et de la forme des particules individuellement. Le Bettersizer S3 Plus, qui intègre la diffraction laser et la technologie de l'image dynamique dans un seul instrument, est le choix optimal pour les fabricants qui souhaitent obtenir les résultats de la taille et de la forme des particules en une seule mesure.
| Produit | Bettersizer S3 Plus |
| Secteur d'activité | Batteries et énergie |
| Échantillon | Graphite |
| Type de mesure | Taille des particules, Forme des particules |
| Technologie de mesure | Diffraction laser, analyse dynamique de l'image |
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Introduction
Les batteries lithium-ion (LIB) ont été largement utilisées dans diverses applications en raison de leurs avantages : longue durée de stockage, absence d'effet mémoire et faible taux d'autodécharge. Avec l'augmentation rapide de la demande de batteries lithium-ion dans les produits électriques, la production de batteries à plus haute densité énergétique a attiré l'attention des fabricants en raison de la nécessité de stocker plus d'énergie.
La densité énergétique de l'anode peut être considérablement améliorée en optimisant la taille et la forme des particules de graphite. En principe, la taille appropriée des particules de graphite est d'environ 20 μm, ce qui permet aux batteries d'avoir une meilleure capacité de stockage de l'énergie. En outre, le stockage de l'énergie est directement influencé par la circularité du graphite. Les particules de graphite ayant une plus grande circularité auront une densité plus élevée. Pour stocker plus d'énergie, la densité optimale du graphite doit être supérieure à 1 g/mL. Le laboratoire Bettersize a mené une expérience avec le Bettersizer S3 Plus pour étudier comment la taille et la forme des particules affectent de manière significative la densité énergétique des LIB.
Figure 1. Système optique du Bettersizer S3 Plus
Résultat
Distribution de la taille des particules
La taille et la distribution de la taille des particules des échantillons de graphite ont été mesurées par diffraction laser uniquement avec le Bettersizer S3 Plus. La distribution de la taille des particules des trois échantillons est présentée dans la figure 2, et les valeurs typiques de la taille sont indiquées dans le tableau 1. La figure 2 montre que la taille des particules augmente de l'échantillon A à l'échantillon C. La valeur médiane (D50) des trois échantillons est de 6,804 μm, 15,98 μm et 23,72 μm, respectivement.
Figure 2. Distribution de la taille des particules de trois échantillons de graphite.
Tableau 1. Valeurs typiques de la taille des particules des échantillons de graphite.
| Échantillon | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) |
| Échantillon A | 4.264 | 6.804 | 10.49 |
| Échantillon B | 9.220 | 15.98 | 27.18 |
| Échantillon C | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
La taille des particules modifie la performance d'intercalation du lithium, ce qui se reflète dans la capacité réversible initiale, la capacité irréversible et la performance cyclique des LIB. L'étude indique qu'à mesure que la taille des particules augmente, la capacité irréversible initiale diminue. La capacité réversible augmente à mesure que la taille des particules augmente et atteint son maximum à 20 μm. L'échantillon de graphite de 20 μm présente la meilleure performance d'accumulation d'énergie parmi les échantillons de graphite de 13 à 80 μm [1]. Les échantillons B et C ont des valeurs D50 proches de 20 μm, qui devraient être meilleures que l'échantillon A en matière de stockage d'énergie.
Forme des particules
Le Bettersizer S3 Plus peut analyser les paramètres de forme en utilisant uniquement l'analyse d'image dynamique. La circularité de trois échantillons de graphite est mesurée, et les résultats sont présentés dans le tableau 2. La circularité moyenne (C50) des trois échantillons de graphite est respectivement de 0,862, 0,896 et 0,876. La densité de l'échantillon B (1,01 g/mL) est plus élevée que celle des deux autres échantillons de graphite.
Tableau 2. Circularité et densité de prélèvement des échantillons de graphite
| Échantillon | Circularité | Masse volumique (g/mL) | ||
| C10 | C50 | C90 | ||
| Échantillon A | 0.813 | 0.862 | 0.917 | 0.85 |
| Échantillon B | 0.842 | 0.896 | 0.950 | 1.01 |
| Échantillon C | 0.774 | 0.876 | 0.924 | 0.95 |
L'anode a tendance à retenir plus d'énergie lorsqu'elle a une densité d'énergie volumétrique élevée, influencée par la densité taraudée. Dans la fabrication des anodes, la densité idéale pour le graphite sphérique est supérieure à 1 g/mL [2]. [2]. La densité de prélèvement augmente avec la taille des particules, de sorte que l'échantillon A présente la plus petite taille de particule avec la plus petite densité de prélèvement. Non seulement la taille des particules, mais aussi la forme des matières premières peuvent influencer la densité apparente. D'après les études, la densité de perçage a une corrélation positive avec la circularité [3]. [3]Ce qui signifie que l'échantillon B (1,01 g/mL) a une densité de piquage plus élevée que l'échantillon C (0,95 g/mL). Sur la base des résultats de la densité tapée et de la taille des particules, on s'attend à ce que l'échantillon B ait la meilleure capacité de rétention d'énergie parmi les trois échantillons.
Répétabilité
La répétabilité est un paramètre important de la mesure de la taille des particules. D'après la figure 3, les trois réplicats de l'échantillon C ont des distributions granulométriques presque similaires.
Figure 3. Répétabilité de l'échantillon C
| Échantillons | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) |
| Échantillon C-1 | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
| Échantillon C-2 | 11.55 | 23.74 | 40.09 |
| Échantillon C-3 | 11.54 | 23.76 | 40.24 |
| Répétabilité | 0.28% | 0.08% | 0.33% |
Tableau 3. Répétabilité des valeurs typiques de la taille des particules
Le tableau 3 montre la répétabilité des valeurs typiques de l'échantillon C. La répétabilité pour les valeurs de taille D10, D50 et D90 est de 0,28%, 0,08% et 0,33%, respectivement. Le Bettersizer S3 Plus est fiable grâce à sa répétabilité élevée.
Conclusion
La taille et la forme des particules sont deux paramètres principaux qui déterminent la capacité de stockage d'énergie de l'anode dans les piles à combustible, et qui doivent être surveillés et contrôlés dans une plage optimale pour améliorer l'efficacité du processus de fabrication. Selon la norme chinoise GB/T 38887-2020, la circularité et la taille des particules de graphite doivent être mesurées respectivement par la méthode de l'image dynamique et la méthode de diffraction laser [4] [4]. La méthode traditionnelle nécessite au moins deux instruments pour obtenir les résultats de la taille et de la forme des particules individuellement. Le Bettersizer S3 Plus, qui intègre la diffraction laser et la technologie de l'image dynamique dans un seul instrument, est le choix optimal pour les fabricants qui souhaitent obtenir les résultats de la taille et de la forme des particules en une seule mesure.
Référence
[1] Chen, J., Zhou, H., Chang, W. et Ci, Y. (2003). Effet de la taille des particules sur la performance d'intercalation du lithium dans une anode en graphite. Acta Physico-Chimica Sinica, 19(03), 278-282.
[2] Yan, C., Zhang, M. et Lin, Y. (2015). Effect of Graphite Particle Size on Tap Bulk Density (Effet de la taille des particules de graphite sur la densité apparente du robinet). Non-Metallic Mines, 38(3).
[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L. et Chen, H. (2021). Process para meters optimization of natural graphite spheroidization. China Powder Science and Technology, 27(4).
[4] GB/T 38887-2020 - graphite sphérique.
À propos de l'auteur
 | Xiurong Qiu 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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