Исследование влияния размера и формы частиц на энергетическую плотность анода литий-ионных аккумуляторов
2022-04-15Application Note
Размер и форма частиц - два основных параметра, определяющих энергоемкость анода в LIB, которые необходимо отслеживать и контролировать в оптимальном диапазоне для повышения эффективности производственного процесса. Согласно китайскому стандарту GB/T 38887-2020, округлость и размер частиц графита должны измеряться методом динамического изображения и методом лазерной дифракции, соответственно. Традиционный метод требует как минимум двух приборов для получения результатов размера и формы частиц по отдельности. Bettersizer S3 Plus с технологией лазерной дифракции и динамического изображения в одном приборе - оптимальный выбор для производителей, позволяющий получить результаты размера и формы частиц за одно измерение.
| Продукт | Bettersizer S3 Plus |
| Отрасль | Аккумуляторы и энергетика |
| Образец | Графит |
| Тип измерения | Размер частиц, форма частиц |
| Технология измерения | Лазерная дифракция, динамический анализ изображений |
Перейти к разделу:
Введение
Литий-ионные батареи (ЛИБ) широко используются в различных приложениях благодаря таким своим преимуществам, как длительный срок службы, отсутствие эффекта памяти и низкая скорость саморазряда. С быстрым ростом спроса на LIB в электротехнических изделиях, производство батарей с более высокой энергетической плотностью привлекло внимание производителей в связи с необходимостью хранения большего количества энергии.
Плотность энергии анода может быть значительно улучшена путем оптимизации размера и формы частиц графита. В основном, подходящий размер частиц графита составляет около 20 мкм, при котором батареи обладают лучшей способностью накапливать энергию. Более того, аккумулирование энергии напрямую зависит от округлости графита. Частицы графита с большей округлостью будут иметь более высокую плотность прилипания. Чтобы удерживать больше энергии, оптимальная плотность графита должна быть выше 1 г/мл. Лаборатория Bettersize провела эксперимент с использованием Bettersizer S3 Plus, чтобы исследовать, как размер и форма частиц существенно влияют на плотность энергии в LIB.
Рисунок 1. Оптическая система прибора Bettersizer S3 Plus
Результат
Распределение частиц по размерам
Размер частиц и гранулометрический состав графитовых образцов измерялись только с помощью лазерной дифракции на приборе Bettersizer S3 Plus. Распределение размеров частиц трех образцов показано на рисунке 2, а типичные значения размеров приведены в таблице 1. На рисунке 2 видно, что размер частиц увеличивается от образца A к образцу C. Медианное значение размера (D50) трех образцов составляет 6,804 мкм, 15,98 мкм и 23,72 мкм, соответственно.
Рисунок 2. Распределение частиц по размерам трех образцов графита
Таблица 1. Типичные значения размера частиц образцов графита
| Образец | D10 (мкм) | D50 (мкм) | D90 (мкм) |
| Образец A | 4.264 | 6.804 | 10.49 |
| Образец B | 9.220 | 15.98 | 27.18 |
| Образец C | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
Размер частиц изменяет характеристики литий-интеркаляции, что отражается на начальной обратимой емкости, необратимой емкости и циклических характеристиках ЛИБ. Исследование показывает, что с увеличением размера частиц начальная необратимая емкость уменьшается. Обратимая емкость возрастает с увеличением размера частиц и достигает максимума при размере 20 мкм. Образец графита размером 20 мкм имеет наилучшие показатели по накоплению энергии среди образцов графита размером 13-80 мкм [1]. Образцы B и C имеют значения D50, близкие к 20 мкм, и, как ожидается, будут лучше, чем образец A, в плане накопления энергии.
Форма частиц
Bettersizer S3 Plus может анализировать параметры формы только с помощью динамического анализа изображений. Была измерена окружность трех образцов графита, результаты приведены в таблице 2. Средняя округлость (C50) трех графитовых образцов составляет 0,862, 0,896 и 0,876, соответственно. Плотность образца B (1,01 г/мл) выше, чем у двух других образцов графита.
Таблица 2. Окружность и плотность прилива графитовых образцов
| Образец | Циркулярность | Плотность при приливе (г/мл) | ||
| C10 | C50 | C90 | ||
| Образец A | 0.813 | 0.862 | 0.917 | 0.85 |
| Образец B | 0.842 | 0.896 | 0.950 | 1.01 |
| Образец C | 0.774 | 0.876 | 0.924 | 0.95 |
Анод способен удерживать больше энергии, если он имеет высокую объемную плотность энергии, на которую влияет плотность прилива. При производстве анодов идеальная плотность прилива для шаровидного графита составляет более 1 г/мл [2]. Плотность прилипания увеличивается с увеличением размера частиц, поэтому образец A имеет наименьший размер частиц с наименьшей плотностью прилипания. Не только размер частиц, но и форма сырья может влиять на плотность прилипания. Согласно исследованиям, плотность прилива положительно коррелирует с округлостью [3], что свидетельствует о том, что образец В (1,01 г/мл) имеет большую плотность прилипания, чем образец С (0,95 г/мл). Основываясь на результатах плотности и размера частиц, можно предположить, что образец B будет обладать наилучшей энергоудерживающей способностью среди всех трех образцов.
Повторяемость
Повторяемость - важный параметр измерения размера частиц. Согласно рисунку 3, три реплики образца C имеют практически одинаковые распределения частиц по размерам.
Рисунок 3. Повторяемость образца C
| Образцы | D10 (мкм) | D50 (мкм) | D90 (мкм) |
| Образец C-1 | 11.60 | 23.72 | 39.98 |
| Образец C-2 | 11.55 | 23.74 | 40.09 |
| Образец C-3 | 11.54 | 23.76 | 40.24 |
| Повторяемость | 0.28% | 0.08% | 0.33% |
Таблица 3. Повторяемость типичных значений размера частиц
В таблице 3 показана повторяемость типичных значений образца С. Повторяемость для значений размеров D10, D50 и D90 составляет 0,28%, 0,08% и 0,33% соответственно. Bettersizer S3 Plus надежен благодаря высокой повторяемости.
Заключение
Размер и форма частиц - два основных параметра, определяющих емкость анода в LIBs, которые необходимо отслеживать и контролировать в оптимальном диапазоне для повышения эффективности производственного процесса. Согласно китайскому стандарту GB/T 38887-2020, округлость и размер частиц графита должны измеряться методом динамического изображения и методом лазерной дифракции, соответственно [4]. Традиционный метод требует использования как минимум двух приборов для получения результатов измерения размера и формы частиц по отдельности. Bettersizer S3 Plus с технологией лазерной дифракции и динамического изображения в одном приборе - это оптимальный выбор для производителей, позволяющий получить результаты размера и формы частиц за одно измерение.
Ссылка
[1] Chen, J., Zhou, H., Chang, W., & Ci, Y. (2003). Влияние размера частиц на эффективность интеркаляции лития на графитовом аноде. Acta Physico-Chimica Sinica, 19(03), 278-282.
[2] Yan, C., Zhang, M., & Lin, Y. (2015). Влияние размера частиц графита на насыпную плотность тапа. Неметаллические шахты, 38(3).
[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L., & Chen, H. (2021). Оптимизация процесса сфероидизации природного графита. China Powder Science and Technology, 27(4).
[4] GB/T 38887-2020 - шаровидный графит.
Об авторе
 | Сюронг Цю Инженер по применению @ Bettersize Instruments |
| Раскройте секреты высокопроизводительных литий-ионных батарей с помощью сборника из семи заметок по применению батарей. (pdf) |  |
Rate this article