Aplicação do analisador de tamanho de partículas a laser em materiais de cátodo de bateria de lítio
2021-03-23Application Note
Para obter um alto desempenho de armazenamento de energia, estabilidade e segurança, é necessário controlar rigorosamente as distribuições de tamanho de partícula dos materiais do cátodo da bateria de lítio. Portanto, é importante que os fabricantes de baterias meçam a distribuição do tamanho das partículas dos materiais dos eletrodos de forma rápida e fácil, com o analisador de tamanho de partículas a laser Bettersizer 2600.
| O produto | Bettersizer 2600 |
| Setor | Bateria e energia |
| Amostra | Cátodo de bateria de lítio |
| Tipo de medição | Tamanho da partícula |
| Tecnologia de medição | Difração a laser |
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Introdução
Com o rápido desenvolvimento de novas formas de energia, especialmente para o setor de veículos e dispositivos vestíveis inteligentes, a pesquisa e a produção de materiais catódicos para baterias de lítio têm recebido atenção global gradualmente. Entre as principais áreas de pesquisa está o desenvolvimento de materiais catódicos para baterias de íon-lítio com alta capacidade, longo ciclo de vida, alto desempenho de segurança e baixo preço. O esforço nessa área tornou-se o foco principal do setor de baterias e está em um estado de rápido desenvolvimento. De acordo com as estatísticas, no início de janeiro de 2021, as baterias de íon-lítio estavam em um cronograma de produção total no setor de veículos, e os pedidos de fim de ano dispararam. Isso, por sua vez, provocou uma escassez de matérias-primas de alto desempenho a montante, especialmente no fornecimento de materiais de cátodo para baterias de íon-lítio.
Em geral, os materiais de cátodo de baterias de íon-lítio incluem fosfato de ferro-lítio, óxido de lítio-cobalto, carbonato de lítio e materiais ternários com alto teor de níquel. O tamanho da partícula e a distribuição do tamanho de todas as partículas do material do cátodo afetam diretamente o desempenho de carga e descarga dessas baterias. Portanto, é extremamente necessário medir a distribuição do tamanho das partículas dos materiais do cátodo da bateria de íons de lítio durante o desenvolvimento e a produção dessas baterias.
O fosfato de ferro e lítio é um material catódico comumente usado para baterias de íon-lítio. Sua distribuição de tamanho de partícula determina o desempenho do processamento e da aplicação do fosfato de ferro-lítio em baterias de íon-lítio. Nesta nota de aplicação, o analisador de tamanho de partículas a laser Bettersizer 2600 foi usado para medir as distribuições de tamanho de partículas de 5 amostras de fosfato de ferro-lítio.
Analisador de tamanho de partículas a laser Bettersizer 2600
Distribuições de tamanho de partícula de partículas de fosfato de ferro-lítio
Figura 1. Distribuição de tamanho de partícula de partículas de fosfato de ferro-lítio
Valores típicos de tamanho de partícula de partículas de fosfato de ferro-lítio
Tabela 1. Valores típicos de tamanho de partícula de fosfato de ferro-lítio
| Amostra | 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 |
Conforme mostrado na Figura 1, os tamanhos médios de partícula do fosfato de ferro-lítio A, B e C eram muito menores do que os tamanhos médios de partícula de D e E. Em geral, o tamanho médio de partícula do fosfato de ferro-lítio tem grande influência nas características eletroquímicas das baterias de íon-lítio. As partículas pequenas podem aumentar a área de superfície específica dos materiais ativos nas baterias de íon-lítio e encurtar o caminho de difusão dos íons de lítio na bateria, promovendo assim a reatividade eletroquímica das baterias de íon-lítio[1].
No entanto, se o tamanho da partícula de fosfato de ferro e lítio for muito pequeno, as partículas podem se aglomerar facilmente. Isso leva a uma diminuição da condutividade dos elétrons e do coeficiente de difusão da fase sólida, o que, por sua vez, aumenta a resistência interna das baterias de íon-lítio. Parte da corrente elétrica será convertida em energia térmica sob a influência da alta resistência interna. Isso causa uma quantidade significativa de perda de calor da bateria de íons de lítio, o que acaba afetando a capacidade e o desempenho de descarga da bateria.
De acordo com o feedback de um conhecido fabricante de fosfato de ferro-lítio, a maioria dos D50s dos produtos de fosfato de ferro-lítio está na faixa de 1μm a 2,5μm. Descobriu-se que as propriedades eletroquímicas são as melhores nessa faixa de tamanho, pois isso favorece o desempenho efetivo de descarga da bateria de íons de lítio para atingir níveis ideais. Além disso, os D50s de uma pequena quantidade de partículas de fosfato de ferro-lítio estão na faixa de 3,5μm-8μm, como nas amostras D e E, o que leva a uma alta resistência interna e a características eletroquímicas ruins, diminuindo assim a vida útil esperada, a capacidade utilizável, as taxas de carga e descarga e a segurança da bateria de íons de lítio.
Como pode ser visto na Tabela 1, os tamanhos médios de partícula do fosfato de ferro-lítio A, B e C eram de cerca de 1μm, enquanto os tamanhos médios de partícula de D e E estavam entre 4μm e 10μm. Para a amostra E, as partículas de tamanho excessivo podem degradar o coeficiente de difusão da fase sólida do íon de lítio nos materiais ativos, resultando em um aumento da resistência interna e redução da carga efetiva.
Várias medições da mesma amostra de fosfato de ferro e lítio
Figura 2. Teste de repetibilidade da amostra A
Pode-se observar na Figura 2 que as medições múltiplas de fosfato de lítio e ferro pelo Bettersizer 2600 mostram uma boa repetibilidade de resultados. Os valores de repetibilidade para D10, D50 e D90 são 0,13%, 0,07% e 0,09%, respectivamente, que estavam muito abaixo dos requisitos da ISO 13320[2]. Portanto, o uso do Bettersizer 2600 para medir a distribuição de tamanho de partícula do fosfato de ferro e lítio tem alta repetibilidade.
Conclusão
As distribuições de tamanho de partícula dos materiais do cátodo da bateria de íons de lítio são fundamentais para afetar o desempenho de uma bateria. Para um determinado material de ânodo e tamanho de célula, a distribuição do tamanho de partícula do material do cátodo pode ser ajustada para otimizar a energia e a potência das baterias de lítio. Para obter um alto desempenho de armazenamento de energia, estabilidade e segurança, é necessário controlar rigorosamente as distribuições de tamanho de partícula dos materiais do cátodo da bateria de lítio. Portanto, é importante que os fabricantes de baterias possam medir a distribuição do tamanho das partículas dos materiais do eletrodo de forma rápida e fácil, com o analisador de tamanho de partículas a laser Bettersizer 2600.
Referência
[1] Battery materials for ultrafast charging and discharging (Materiais de bateria para carga e descarga ultrarrápidas), B Kang, G Ceder, Nature, 12 de março de 2009, vol. 458.
[2] ISO 13320 (2009) Particle size analysis - Laser diffraction methods (Análise do tamanho de partículas - métodos de difração a laser).
Sobre o autor
 | Fangfang Zhang Engenheiro de Aplicativos da Bettersize Instruments |
| Desvende os segredos das baterias de íon-lítio de alto desempenho com a coleção de SETE notas de aplicação de baterias. (pdf) |  |
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