استكشاف توزيع حجم الجسيمات في أنود السيليكون/الكربون المركب لبطاريات الليثيوم أيون بواسطة حيود الليزر
2024-03-06Application Note
تكتسب أنودات السيليكون/الكربون المركبة اهتمامًا في الجيل القادم من بطاريات الليثيوم أيون نظرًا لقدرتها على تسخير سعة محددة كبيرة. وتركز هذه الدراسة على تعظيم كثافة الطاقة لهذه الأنودات من خلال مراقبة توزيع حجم الجسيمات لتحقيق كثافة كبيرة مستغلة ومساحة سطح محددة مناسبة. تُعد تركيبة Bettersizer 2600 وBT-80N مفيدة في توفير قياسات دقيقة وقابلة للتكرار بدرجة كبيرة لتوزيع حجم الجسيمات، وهي مصممة خصيصًا للتحليلات باستخدام المشتتات العضوية.
المنتج | Bettersizer 2600 |
الصناعة | البطاريات والطاقة |
العينة | أنود السيليكون/الكربون المركب |
نوع القياس | حجم الجسيمات، توزيع حجم الجسيمات |
تقنية القياس | حيود الليزر |
الانتقال إلى قسم
مقدمة
مع التطوير النشط لأجهزة تخزين الطاقة الجديدة (الأجهزة المحمولة والمركبات الكهربائية)، هناك طلب متزايد على كثافة الطاقة العالية في المكون الأساسي، بطاريات الطاقة. وقد كان للتطورات الحديثة في تكنولوجيا البطاريات، وخاصة في المواد المستخدمة في كل من الكاثودات والأنودات، دور محوري في تحقيق تحسينات في كثافة طاقة البطارية. وتجدر الإشارة إلى أن الأنودات القائمة على السيليكون تبرز بشكل بارز في هذا السياق، حيث توفر قدرة محددة أعلى واستدامة أكبر مقارنة بالأنودات التقليدية. وينطوي استخدام السيليكون، وهو مادة وفيرة ومتاحة على نطاق واسع، على إمكانية تقليل الاعتماد على الموارد الطبيعية المحدودة. وهذا يجعل من الأنودات القائمة على السيليكون الخيار الأمثل للجيل القادم من بطاريات الطاقة، مما يبشر بمستقبل مستدام وفعال لحلول تخزين الطاقة.
تُظهر المواد المركبة من السيليكون/الكربون، وهي مجموعة فرعية من الأنودات القائمة على السيليكون، قدرة نوعية عالية لبطاريات الطاقة الجديدة. ويظهر الهيكل العام لهذا الأنود الجديد في الشكل 1. ومع ذلك، فإنها تواجه تحديات مثل قصر عمر الدورة وانخفاض الموصلية. ولمعالجة هذه المشاكل، ينبغي التفكير في المواد النشطة المصممة بمساحة سطح محددة مناسبة وكثافة مستغلة كبيرة. في تحسين الكريات المجهرية المركبة من السيليكون/الكربون المركبة، تؤثر المعلمات الحرجة مثل حجم الجسيمات وتوزيعها بشكل كبير على الكثافة المستغلة ومساحة السطح المحددة، مما يؤثر على عمر الدورة والتوصيلية وكثافة طاقة البطارية. توفر هذه المذكرة التطبيقية فحصًا دقيقًا لتوزيع حجم الجسيمات لدفعة واحدة من عينات السيليكون/الكربون المركب، مما يوفر رؤى قيمة لمواد الأنود ذات التوحيد الاستثنائي.
الشكل 1. النموذج الهيكلي لأنودات السيليكون/الكربون الدقيقة الحجم
تصميم القياس
عند قياس حجم جسيمات مادة الأنود باستخدام محلل حجم الجسيمات بالليزر، يكون اختيار مذيب تشتيت مناسب أمرًا مهمًا لمنع تجمع الجسيمات وضمان تشتت أكثر اتساقًا في السائل. وبوجه عام، يجب ألا يتفاعل المشتت الجيد لتحليل حجم الجسيمات مع العينات ويوفر تشتتًا متسقًا ويساهم في استقرار المعلق، إلخ. ويُعد الأيزوبروبانول مذيبًا عضويًا شائع الاستخدام في العينة القائمة على السيليكون لأن توتره السطحي المنخفض يساهم في التشتت المتساوي للجسيمات. صُممت وحدة التشتت الرطب المضاد للتآكل BT-80N لقياسات حجم الجسيمات باستخدام المذيبات العضوية كوسائط، وهي مناسبة للمذيبات العضوية الشائعة، على سبيل المثال:
الجدول 1. المذيبات العضوية الشائعة المستخدمة في BT-80N
الإيثانول | الميثانول | الأيزوبروبانول | الأثير |
التولوين | زيلين | ثنائي كلور الميثان | أوكتان |
أسيتات الإيثيل | الأسيتون | أوليات الميثيل | مذيبات NMP |
مع الأخذ في الاعتبار متطلبات اختبار العينة والمشتتات، تستخدم هذه الدراسة جهاز Bettersizer 2600 مع BT-80N لضمان قياسات دقيقة وموثوقة لحجم الجسيمات. تشمل المواد المستخدمة في هذه التجربة خمسة أنواع من الأنودات المركبة من السيليكون/الكربون المشتتة في الأيزوبروبانول.
Bettersizer 2600 مع BT-80N
النتيجة والمناقشة
تحليل توزيع حجم الجسيمات
تم قياس حجم الجسيمات وتوزيعها لعينات الأنود السيليكوني باستخدام Bettersizer 2600 وBT80N. ويعرض الشكل 2 توزيع حجم الجسيمات للعينات الخمس، بينما يعرض الجدول 2 قيم الحجم النموذجي المقابلة. القيمة المتوسطة للحجم (D50) للعينات الخمس هي 5.808 ميكرومتر، و6.130 ميكرومتر، و7.228 ميكرومتر، و11.010 ميكرومتر، و26.690 ميكرومتر، على التوالي. يشير D50 لتوزيع حجم الجسيمات إلى حجم الجسيمات المقابل للتردد التراكمي بنسبة 50%، وهو معلمة نموذجية لتقييم عملية تفريغ الشحنة، وعمر الدوران واستقرار مادة الأنود.
الشكل 2. توزيع حجم الجسيمات لأنود السيليكون/الكربون
الجدول 2. قيم حجم الجسيمات النموذجية لأنود السيليكون/الكربون
العينة | D10 (ميكرومتر) | D50 (ميكرومتر) | D90 (ميكرومتر) | سبان |
A | 2.417 | 5.808 | 10.630 | 1.409 |
B | 2.594 | 6.130 | 10.820 | 1.343 |
C | 4.239 | 7.228 | 11.920 | 1.063 |
D | 5.452 | 11.010 | 19.960 | 1.318 |
E | 12.130 | 26.690 | 44.750 | 1.221 |
كما ذكرنا سابقًا، ترتبط مساحة السطح المحددة بعمر دورة بطارية الليثيوم أيون، وتتناسب مساحة السطح المحددة بشكل عكسي مع حجم الجسيمات. ووفقًا للنتائج، يتفوق جهاز Bettersizer 2600 في الرصد الدقيق لحجم الجسيمات وتوزيع هذه الأنودات متناهية الصغر المحضرة في إطار العملية نفسها. ولا تؤكد هذه القياسات قدرتها الاستثنائية في الدقة فحسب، بل تؤكد أيضًا فعاليتها في تحسين مساحة السطح المحددة وإطالة عمر الدورة.
وعلاوة على ذلك، يمكن أن يتسبب التوزيع غير المتساوي لحجم الجسيمات في أنودات السيليكون/الكربون المركبة في عدم كفاية الكثافة المستغلة وبالتالي انخفاض كثافة الطاقة. ولذلك، يعد التركيز على توزيع حجم الجسيمات المتجانس نسبيًا أمرًا بالغ الأهمية للأنودات القائمة على السيليكون. ووفقًا للتحليل، تُظهر العينة C أضيق توزيع لحجم الجسيمات، مما يشير إلى توزيع الجسيمات الأكثر اتساقًا بين هذه العينات الخمس.
تقييم التكرار
في تقييم قابلية التكرار للعينة C، يوضح الشكل 3 النتائج المتسقة التي تم الحصول عليها من القياسات المتعددة التي أجراها جهاز Bettersizer 2600 المجهز بجهاز BT-80N. تنخفض قيم التكرار لـ D10 وD50 وD90، وهي 0.11% و0.03% و0.09% على التوالي، بشكل كبير عن الحدود المنصوص عليها في المواصفة القياسية ISO 13320. ومن ثم، فإن استخدام جهاز Bettersizer 2600 لتحليل توزيع حجم الجسيمات للأنودات القائمة على السيليكون يُظهر قابلية تكرار ملحوظة.
الشكل 3. اختبار التكرار للعينة C
الخلاصة
من أجل تعزيز مزايا مركب السيليكون/الكربون وتعزيز كثافة طاقته، من الضروري التركيز على حجم الجسيمات وتوزيع هذه المادة. يسلط العرض التوضيحي لجهاز Bettersizer 2600، إلى جانب BT80N، الضوء على فعاليته في تقديم نتائج دقيقة ومتسقة لمواد الأنودات متناهية الصغر. واستنادًا إلى هذه الدراسة، يبلغ D50 للعينات الخمس 5.808 ميكرومتر، و6.130 ميكرومتر، و7.228 ميكرومتر، و11.010 ميكرومتر، و26.690 ميكرومتر، على التوالي. علاوة على ذلك، فإن قيم التكرار للعينة C أقل بكثير من القيود المحددة في المواصفة القياسية ISO 13320. وهذا يؤكد قدراتها المتقدمة في قياس حجم الجسيمات بالمذيبات العضوية، مما يوفر رؤى قيمة في تحسين الأنودات القائمة على السيليكون من أجل تحسين حلول كثافة الطاقة وأداء البطاريات.
نبذة عن المؤلف
![]() | فيكينج شين مهندس تطبيقات في شركة بيترسايز إنسترومنتس |
اكتشف أسرار بطاريات الليثيوم أيون عالية الأداء مع مجموعة من سبع ملاحظات تطبيقية للبطاريات. (بي دي إف) | ![]() |