Применение лазерного анализатора размеров частиц в материалах катодов литиевых батарей
2021-03-23Application Note
Для достижения высоких показателей накопления энергии, стабильности и безопасности необходимо строго контролировать распределение частиц по размерам материалов катодов литиевых батарей. Поэтому производителям аккумуляторов важно быстро и просто измерять гранулометрический состав электродных материалов с помощью лазерного гранулометрического анализатора Bettersizer 2600.
| Продукт | Bettersizer 2600 |
| Отрасль | Аккумуляторы и энергетика |
| Образец | Катод литиевой батареи |
| Тип измерения | Размер частиц |
| Технология измерения | Лазерная дифракция |
Перейти к разделу:
Введение
В связи с быстрым развитием новых видов энергии, особенно для автомобильной промышленности и интеллектуальных носимых устройств, исследования и производство катодных материалов для литиевых батарей постепенно привлекают внимание всего мира. Среди ключевых областей исследований - разработка катодных материалов для литий-ионных батарей с высокой емкостью, длительным жизненным циклом, высокими показателями безопасности и низкой ценой. Усилия в этой области стали основным направлением аккумуляторной промышленности и находятся в состоянии быстрого развития. Согласно статистике, в начале января 2021 года производство литий-ионных батарей в автомобильной промышленности было полностью завершено, а заказы на конец года резко возросли. Это, в свою очередь, вызвало дефицит высокопроизводительного сырья, особенно в сфере поставок катодных материалов для литий-ионных батарей.
Как правило, катодные материалы для литий-ионных батарей включают фосфат железа лития, оксид кобальта лития, карбонат лития и высоконикелевые тройные материалы. Размер и распределение частиц всех катодных материалов непосредственно влияют на характеристики заряда и разряда этих батарей. Поэтому измерение гранулометрического состава катодных материалов литий-ионных батарей крайне необходимо при разработке и производстве этих батарей.
Фосфат железа лития является широко используемым катодным материалом для литий-ионных батарей. Его гранулометрический состав определяет технологичность и эффективность применения фосфата лития в литий-ионных батареях. В этом приложении лазерный гранулометрический анализатор Bettersizer 2600 использовался для измерения распределения частиц по размерам 5 образцов фосфата железа лития.
Лазерный гранулометрический анализатор Bettersizer 2600
Распределение частиц по размерам частиц фосфата железа лития
Рисунок 1. Гранулометрический состав частиц фосфата железа лития
Типичные значения размера частиц фосфата железа лития
Таблица 1. Типичные значения размера частиц фосфата железа лития
| Образец | D10 (мкм) | D50 (мкм) | D90 (мкм) |
| 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 |
Как показано на рисунке 1, средний размер частиц фосфата железа лития A, B и C был намного меньше, чем средний размер частиц D и E. В целом, средний размер частиц фосфата железа лития оказывает большое влияние на электрохимические характеристики литий-ионных батарей. Мелкие частицы могут увеличить удельную поверхность активных материалов в литий-ионных батареях и сократить путь диффузии ионов лития в батарее, тем самым способствуя электрохимической реактивности литий-ионных батарей[1].
Однако если размер частиц фосфата лития-железа слишком мал, частицы легко агломерируются. Это приводит к снижению электронной проводимости и коэффициента диффузии твердой фазы, что, в свою очередь, увеличивает внутреннее сопротивление литий-ионных батарей. Под воздействием высокого внутреннего сопротивления часть электрического тока преобразуется в тепловую энергию. Это приводит к значительным потерям тепла из литий-ионного аккумулятора, что в конечном итоге сказывается на емкости и разрядных характеристиках батареи.
По отзывам известного производителя фосфатов железа лития, большинство D50 продуктов из фосфатов железа лития находятся в диапазоне 1 мкм-2,5 мкм. Было установлено, что в этом диапазоне размеров электрохимические свойства проявляются наилучшим образом, поскольку это способствует эффективному разряду литий-ионного аккумулятора до оптимального уровня. Кроме того, D50 небольшого количества частиц фосфата железа лития находятся в диапазоне 3,5-8 мкм, как в образцах D и E, что приводит к высокому внутреннему сопротивлению и плохим электрохимическим характеристикам, тем самым снижая ожидаемый срок службы, полезную емкость, скорость заряда и разряда, а также безопасность литий-ионного аккумулятора.
Как видно из таблицы 1, средний размер частиц фосфата железа лития A, B и C составлял около 1 мкм, в то время как средний размер частиц D и E составлял от 4 мкм до 10 мкм. Для образца E частицы слишком большого размера могут ухудшить коэффициент твердофазной диффузии ионов лития в активных материалах, что приведет к увеличению внутреннего сопротивления и снижению эффективного заряда.
Многократные измерения одного и того же образца фосфата лития-железа
Рисунок 2. Тест на повторяемость образца A
Из рисунка 2 видно, что многократные измерения фосфата железа лития прибором Bettersizer 2600 демонстрируют хорошую повторяемость результатов. Значения повторяемости для D10, D50 и D90 составляют 0,13%, 0,07% и 0,09%, соответственно, что значительно ниже требований ISO 13320[2]. Таким образом, использование Bettersizer 2600 для измерения гранулометрического состава фосфата железа лития обладает высокой повторяемостью.
Заключение
Гранулометрический состав материалов катодов литий-ионных батарей имеет решающее значение для производительности батареи. Для заданного материала анода и размера ячейки распределение частиц по размерам материала катода может быть отрегулировано для оптимизации энергии и мощности литиевых батарей. Для достижения высоких показателей энергоемкости, стабильности и безопасности необходимо строго контролировать распределение частиц по размерам катодных материалов литиевых батарей. Поэтому производителям аккумуляторов важно иметь возможность быстро и легко измерять гранулометрический состав электродных материалов с помощью лазерного гранулометрического анализатора Bettersizer 2600.
Ссылка
[1] Материалы для аккумуляторов для сверхбыстрой зарядки и разрядки, B Kang, G Ceder, Nature, 12 марта 2009, том 458.
[2] ISO 13320 (2009) Анализ размера частиц - методы лазерной дифракции.
Об авторе
 | Фанфанг Чжан Инженер по применению @ Bettersize Instruments |
| Раскройте секреты высокопроизводительных литий-ионных батарей с помощью сборника из семи заметок по применению батарей. (pdf) |  |
Rate this article