Aprimorando a densidade do material catódico para fazer com que uma bateria de íons de lítio retenha mais energia
2021-11-08Application Note
A densidade de batida é uma das duas propriedades físicas importantes dos materiais de eletrodo e afeta a densidade de energia de uma bateria de íons de lítio (LIB). A outra propriedade física importante é a distribuição do tamanho das partículas, que fornece as informações adequadas para otimizar os parâmetros de moagem durante a produção. O aprimoramento da densidade de vazamento também pode otimizar a alta densidade de energia durante a fabricação da LIB.
Assim, é necessário que o produtor de LIB determine antecipadamente qual é a densidade de vazamento mais ideal e alcançável e, em seguida, use esse parâmetro como o 'padrão ouro' para medir amostras do processo durante a produção até que elas correspondam ou se aproximem da medição do 'padrão ouro'. A série BeDensi T Pro, fácil de usar, é o testador de densidade de rosca ideal, pois é um dispositivo econômico que oferece um desempenho excepcional sem concessões.
| Produto | Série BeDensi T Pro, Bettersizer ST |
| Setor | Bateria e energia |
| Amostra | LiFePO4 |
| Tipo de medição | Características do pó, distribuição do tamanho da partícula |
| Tecnologia de medição | Caracterização de pó, difração a laser |
Ir para uma seção:
1. Introdução
A bateria de íons de lítio (LIB) é amplamente usada em produtos 3C (computadores, comunicações e eletrônicos de consumo), também conhecidos como 'aparelhos de informação'. Como o tamanho dos produtos 3C não é grande, eles costumam ser chamados de 'pequenos aparelhos 3C'. Conforme mostrado na Figura 1a, outros dispositivos que usam LIB incluem veículos eletrônicos e sistemas estacionários de armazenamento de energia. A LIB é usada entre todas as outras opções porque tem a maior densidade de energia das baterias recarregáveis práticas, conforme demonstrado no gráfico apresentado na Figura 1b.
Figura 1. Aplicações da bateria de íons de lítio (a) e densidade de energia das baterias recarregáveis (b).
Devido a essas aplicações com restrições de volume, a densidade de energia volumétrica de uma bateria é um parâmetro necessário a ser considerado. A densidade de energia volumétrica é a quantidade de energia armazenada por unidade de volume e é normalmente expressa em watts-hora por litro (Wh/L). Uma bateria de íons de lítio com uma densidade de energia volumétrica mais alta armazenará mais energia do que uma bateria de volume semelhante com uma densidade de energia mais baixa. Além disso, ao instalar a LIB no produto adequado, geralmente há uma limitação de tamanho, portanto, uma LIB de menor tamanho e maior densidade de energia é uma vantagem definitiva em sistemas com restrições de volume. Até o momento, embora estudos extensivos tenham sido feitos para aumentar a densidade de energia e a potência das LIBs, a capacidade de armazenamento de energia alcançada ainda não é adequada para atender à crescente demanda do mercado. [1]
Para alcançar uma alta densidade de energia volumétrica, os materiais ativos no eletrodo catódico da LIB devem ter alta densidade de batida. A Tabela 1 mostra a diferença entre as densidades teóricas e as densidades de vazão dos materiais ativos em um cátodo típico. Esses materiais ativos incluem LiCoO2 (LCO), Li (NixCoyMnz)O2 (NCM), LiFePO4 (LFP) e LiMn2O4. Em geral, a densidade de vazamento está extremamente relacionada ao tamanho da partícula, à distribuição do tamanho da partícula, à morfologia etc. [2] Espera-se que a densidade possa ser melhorada com a otimização do processo de produção. Vários parâmetros podem ser otimizados especificamente, como a preparação do precursor, a calcinação e a moagem. Os materiais ativos do cátodo são misturados com um aglutinante ou agente condutor e revestidos em um coletor de alumínio, seguido de prensagem por rolo. A densidade de empacotamento dos eletrodos será aprimorada para armazenar mais energia com o mesmo volume.
Tabela 1. Densidade teórica e de vazamento dos materiais catódicos.
| Materiais do cátodo | Li (NixCoyMnz)O2 | LiFePO4 | LiMn2O4 | LiCoO2 |
| Densidade teórica (g/cm3) | 4.85 | 3.60 | 4.31 | 5.10 |
| Densidade de vazamento (g/cm3) | 2.6-2.8 | 0.80-1.10 | 2.20-2.40 | 2.80-3.00 |
O tempo de moagem influencia diretamente a distribuição do tamanho das partículas (PSD) dos materiais em pó do cátodo. A PSD exerce grande influência sobre a densidade de vazamento. O principal objetivo desta nota de aplicação foi verificar a relação entre a PSD e a densidade de vazamento dos materiais catódicos LIB.
2. Experimentos
As densidades de vazamento de duas amostras de LiFePO4 (LFP) preparadas sob diferentes tempos de moagem foram caracterizadas usando o BeDensi T2 com duas estações de trabalho. Os experimentos foram testados de acordo com a norma ASTM B527-20, com 50g de amostra sendo usados para despejar no cilindro. [3] A altura da gota usada foi de 3 mm e a velocidade de rosqueamento foi de 200 roscas/min e o tempo total de rosqueamento foi de 8 minutos. A distribuição do tamanho das partículas das amostras foi medida em menos de um minuto por difração a laser usando o Bettersizer ST.
3. Resultados
3.1 Densidade da batida
A figura 2a mostra que o volume de vazamento dos pós LFP-1 e LFP-2 é de 55,5 ml e 46,0 ml, respectivamente. Os relatórios de cálculo do instrumento mostram que a densidade de vazamento do LFP-1 foi de 0,89 (g/cm3 ) e a do LFP-2 foi de 1,08 (g/cm3 ). 10 réplicas foram relatadas na figura 2b para cada amostra, o que confirma que os resultados do teste foram altamente repetíveis. Há três motivos para os resultados precisos e repetíveis:
a) o método de teste atende à norma ASTM B527-20
b) o testador tem um dispositivo que gira o cilindro para minimizar qualquer possível separação da massa durante a batida
c) os cilindros são graduados e lidos de três ângulos diferentes, conforme mostrado na figura 3, e, em seguida, um valor médio é obtido de todas as três leituras para determinar um valor médio que é usado para calcular a densidade batida.
Figura 2. (a) mudanças no volume da amostra durante a batida, (b) 10 medições repetidas da amostra da densidade batida
Figura 3. O BeDensi T2 Pro com os cilindros graduados de fácil leitura
3.2 Distribuição do tamanho das partículas (PSD)
Após as medições de densidade de batida, as distribuições de tamanho de partícula (PSD) dos dois LFP foram estudadas. Os resultados, conforme exibidos na Figura 4, mostram que as PSDs de ambas as amostras têm a mesma faixa de 0,28 a 38,41μm, enquanto a D50 da LFP-2 é de 9,21μm, em comparação com 4,08μm da LFP-1.
Figura 4. O PSD de duas amostras variando de 0,28 a 38,41
Tabela 2. Densidade teórica e de vazamento dos materiais do cátodo.
| Amostra | 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 |
Portanto, ambas as amostras têm a mesma faixa de PSD, enquanto o D50 da LFP-1 é menor do que o da LFP-2, o que leva a uma densidade de batida menor. Ying et al. relataram que, quanto menor o tamanho médio das partículas, menor é a densidade de batida. [4] Nesse caso, o aumento do tempo de moagem reduzirá o tamanho das partículas, conforme ilustrado pela LFP-1 na figura 4.
O efeito resultante dessa redução no tamanho leva a uma densidade menor, ocupando um volume maior nessas amostras. Para entender a relação entre a densidade de tapped e a PSD, o testador de densidade de tapped e o analisador de difração a laser são necessários para otimizar o processo de produção e fabricar LIBs de alta qualidade.
Conclusão
Os relatórios exibidos pelo instrumento BeDensi T Pro Series confirmam que a densidade de vazamento ideal foi alcançada com o ajuste da distribuição do tamanho das partículas. Como uma das propriedades importantes do material do eletrodo do cátodo, a densidade de batida deve ser melhorada durante o processo de preparação para que as baterias de íons de lítio retenham mais energia no mesmo volume de material. Portanto, é necessário que os fabricantes de LIBs empreguem um testador de densidade de batida fácil de usar e altamente eficiente para caracterizar a densidade de batida dos materiais do eletrodo em tempo rápido. A série BeDensi T Pro é ideal para medir os materiais do eletrodo para pesquisa, testes de estágios de desenvolvimento e controle de produção.
Referências
[1] El Kharbachi, A., et al. Explorações, avanços e desafios que beneficiam além das tecnologias de baterias de íons de lítio. 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. Int. J. Electrochem., 9 (2012).
[3] Norma ASTEM B527-20: Test Method for Tap Density of Metal Powders and Compounds (Método de Teste para Densidade de Batida de Pós e Compostos Metálicos).
[4] Ying J, et al. Preparação e caracterização de material catódico esférico de alta densidade LiNi0.8Co0.2O2 para baterias secundárias de lítio. J. Power Sources, 99 (2001)
Sobre o autor
 | Perfil Liu Engenheiro de Aplicação Sênior da Bettersize Instruments |
| Desvende os segredos das baterias de íons de lítio de alto desempenho com a coleção de SETE notas de aplicação de baterias. (pdf) |  |
Rate this article