Investigando as influências do tamanho e da forma das partículas na densidade de energia do ânodo das baterias de íon-lítio
2022-04-15Application Note
O tamanho e a forma das partículas são dois parâmetros principais que determinam a capacidade de armazenamento de energia para o ânodo em LIBs, que devem ser monitorados e controlados dentro de uma faixa ideal para melhorar a eficiência do processo de fabricação. De acordo com o padrão chinês GB/T 38887-2020, a circularidade e o tamanho das partículas de grafite devem ser medidos pelo método de imagem dinâmica e pelo método de difração a laser, respectivamente. O método tradicional requer pelo menos dois instrumentos para obter os resultados do tamanho e da forma das partículas individualmente. O Bettersizer S3 Plus, com difração a laser e tecnologia de imagem dinâmica em um único instrumento, é a escolha ideal para os fabricantes obterem resultados de tamanho e forma de partículas em uma única medição.
| Produtos | Bettersizer S3 Plus |
| Setor | Bateria e energia |
| Amostra | Grafite |
| Tipo de medição | Tamanho da partícula, Forma da partícula |
| Tecnologia de medição | Difração a laser, análise de imagem dinâmica |
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Introdução
As baterias de íons de lítio (LIBs) têm sido amplamente utilizadas em diversas aplicações devido às suas vantagens de longa vida útil de armazenamento, ausência de efeito de memória e baixa taxa de autodescarga. Com o rápido aumento da demanda de LIBs em produtos elétricos, a produção de baterias com maior densidade de energia chamou a atenção dos fabricantes devido à necessidade de armazenar mais energia.
A densidade de energia do ânodo pode ser significativamente melhorada com a otimização do tamanho e do formato das partículas de grafite. Basicamente, o tamanho adequado da partícula de grafite é de cerca de 20 μm, onde as baterias têm melhor capacidade de armazenamento de energia. Além disso, o armazenamento de energia é diretamente influenciado pela circularidade do grafite. As partículas de grafite com maior circularidade resultarão em uma maior densidade de batida. Para armazenar mais energia, a densidade de batida ideal para o grafite deve ser superior a 1 g/mL. O laboratório da Bettersize realizou um experimento com o Bettersizer S3 Plus para investigar como o tamanho e a forma das partículas afetam significativamente a densidade de energia das LIBs.
Figura 1. Sistema óptico do Bettersizer S3 Plus
Resultados
Distribuição do tamanho das partículas
O tamanho da partícula e a distribuição do tamanho da partícula das amostras de grafite foram medidos com difração a laser apenas com o Bettersizer S3 Plus. A distribuição do tamanho das partículas das três amostras é mostrada na Figura 2, e os valores típicos de tamanho são mostrados na Tabela 1. De acordo com a Figura 2, o tamanho da partícula acaba aumentando da Amostra A para a Amostra C. O valor médio do tamanho (D50) das três amostras é de 6,804 μm, 15,98 μm e 23,72 μm, respectivamente.
Figura 2. Distribuição do tamanho das partículas de três amostras de grafite
Tabela 1. Valores típicos de tamanho de partícula de amostras de grafite
| Amostra | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) |
| Amostra A | 4.264 | 6.804 | 10.49 |
| Amostra B | 9.220 | 15.98 | 27.18 |
| Amostra C | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
O tamanho da partícula altera o desempenho da intercalação de lítio, o que se reflete na capacidade reversível inicial, na capacidade irreversível e no desempenho cíclico das LIBs. O estudo indica que, à medida que o tamanho da partícula aumenta, a capacidade irreversível inicial diminui. A capacidade reversível aumenta à medida que o tamanho da partícula aumenta e atinge o pico em 20 μm. A amostra de grafite de 20 μm tem o melhor desempenho de acúmulo de energia entre as amostras de grafite de 13 a 80 μm [1]. A Amostra B e a Amostra C têm valores de D50 próximos a 20 μm, e espera-se que sejam melhores do que a Amostra A no armazenamento de energia.
Forma da partícula
O Bettersizer S3 Plus pode analisar os parâmetros de forma usando apenas a análise de imagem dinâmica. A circularidade de três amostras de grafite é medida, e os resultados são mostrados na Tabela 2. A circularidade média (C50) das três amostras de grafite é de 0,862, 0,896 e 0,876, respectivamente. A densidade da amostra B (1,01 g/mL) é maior do que a das outras duas amostras de grafite.
Tabela 2. Circularidade e densidade de vazamento das amostras de grafite
| Amostra | Circularidade | Densidade de batida (g/mL) | ||
| C10 | C50 | C90 | ||
| Amostra A | 0.813 | 0.862 | 0.917 | 0.85 |
| Amostra B | 0.842 | 0.896 | 0.950 | 1.01 |
| Amostra C | 0.774 | 0.876 | 0.924 | 0.95 |
O ânodo tende a reter mais energia quando tem uma alta densidade de energia volumétrica, afetada pela densidade de vazamento. Na fabricação de ânodos, a densidade ideal de tapped para grafite esférico é superior a 1 g/mL [2]. A densidade de vazamento aumenta à medida que o tamanho da partícula aumenta, de modo que a Amostra A tem o menor tamanho de partícula com a menor densidade de vazamento. Não apenas o tamanho da partícula, mas também o formato das matérias-primas podem influenciar a densidade de vazamento. De acordo com os estudos, a densidade de vazamento tem uma correlação positiva com a circularidade [3]o que interpreta que a Amostra B (1,01 g/mL) tem uma densidade de batida maior do que a Amostra C (0,95 g/mL). Com base nos resultados de densidade de batida e tamanho de partícula, prevê-se que a amostra B tenha a melhor capacidade de retenção de energia entre as três amostras.
Repetibilidade
A repetibilidade é um parâmetro importante da medição do tamanho das partículas. De acordo com a Figura 3, as três réplicas da Amostra C têm distribuições de tamanho de partícula quase próximas.
Figura 3. Repetibilidade da amostra C
| Amostras | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) |
| Amostra C-1 | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
| Amostra C-2 | 11.55 | 23.74 | 40.09 |
| Amostra C-3 | 11.54 | 23.76 | 40.24 |
| Repetibilidade | 0.28% | 0.08% | 0.33% |
Tabela 3. Repetibilidade dos valores típicos de tamanho de partícula
A Tabela 3 mostra a repetibilidade dos valores típicos da Amostra C. A repetibilidade dos valores de tamanho D10, D50 e D90 é de 0,28%, 0,08% e 0,33%, respectivamente. O Bettersizer S3 Plus é confiável com sua alta repetibilidade.
Conclusão
O tamanho e a forma das partículas são dois parâmetros principais que determinam a capacidade de armazenamento de energia para o ânodo em LIBs, que devem ser monitorados e controlados dentro de uma faixa ideal para melhorar a eficiência do processo de fabricação. De acordo com o padrão chinês GB/T 38887-2020, a circularidade e o tamanho das partículas de grafite devem ser medidos pelo método de imagem dinâmica e pelo método de difração a laser, respectivamente [4]. O método tradicional requer pelo menos dois instrumentos para obter os resultados do tamanho e da forma das partículas individualmente. O Bettersizer S3 Plus, com difração a laser e tecnologia de imagem dinâmica em um único instrumento, é a escolha ideal para os fabricantes obterem resultados de tamanho e forma de partículas em uma única medição.
Referências
[1] Chen, J., Zhou, H., Chang, W., & Ci, Y. (2003). Effect of Particle Size on Lithium Intercalation Performance of Graphite Anode (Efeito do tamanho da partícula no desempenho da intercalação de lítio do ânodo de grafite). Acta Physico-Chimica Sinica, 19(03), 278-282.
[2] Yan, C., Zhang, M., & Lin, Y. (2015). Effect of Graphite Particle Size on Tap Bulk Density (Efeito do tamanho da partícula de grafite na densidade aparente da torneira). Non-Metallic Mines, 38(3).
[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L., & Chen, H. (2021). Process para meters optimization of natural graphite spheroidization (Otimização de processo para medidores de esferoidização de grafite natural). China Powder Science and Technology, 27(4).
[4] GB/T 38887-2020 - grafite esférico.
Sobre o autor
 | Xiurong Qiu 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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