تحسين تشتت مواد البطاريات من أجل اختبار أفضل لحجم الجسيمات بالليزر

يُعد القياس الدقيق لتوزيع حجم جسيمات فوسفات حديد الليثيوم (LFP) أمرًا بالغ الأهمية لتحسين أداء البطارية. تستكشف هذه الدراسة التحديات المرتبطة بقياس توزيع حجم جسيمات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) وتقترح حلاً مصممًا من خلال التشتت المسبق باستخدام الموجات فوق الصوتية.

تتضمن الإعدادات المثلى للتشتت المسبق، التي تم تحديدها من خلال سلسلة من الاختبارات، التشتت المسبق بالموجات فوق الصوتية عند 510 واط لمدة دقيقة واحدة. وينتج عن هذا النهج تشتيت مستقر مع قيمة D100 تبلغ 10.27 ميكرومتر، ويُظهر قابلية ممتازة للتكرار، بما يتوافق مع معايير ISO 13320. يمكّن هذا النهج الباحثين والمهندسين من تحسين أداء بطارية LFP وتسريع تطوير حلول الطاقة المستدامة.

 

                        

المنتج	بيترسايزر 2600
الصناعة	البطاريات والطاقة
العينة	فوسفات حديد الليثيوم (كاثود، بطارية)
نوع القياس	حجم الجسيمات
تقنية القياس	حيود الليزر

 

 

الانتقال إلى قسم

 

 
• مقدمة
 
• تصميم القياس
 
• الحفاظ على سلامة القياس: معالجة اتجاهات التشتت غير الطبيعي والتشتت غير المشبع
 
• التغلب على التشتت غير المشبع مع المعالجة المسبقة المصممة خصيصًا
 
• الخاتمة
 

 

 

---

 

مقدمة

 

تعتمد ثورة السيارات الكهربائية المزدهرة على تطوير حلول طاقة مستدامة عالية الأداء ومستدامة. ومع ذلك، لا تزال قيود المدى تشكل تحدياً كبيراً. وفي حين توفر بطاريات الليثيوم أيون وسيلة واعدة، فإن بطاريات فوسفات حديد الليثيوم (LFP)، التي تمت الإشادة بها لسلامتها الاستثنائية وجدواها الاقتصادية، تواجه مفاضلة: كثافة طاقة جاذبية أقل مقارنة بنظيراتها، مثل أكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت والنيكل والكوبالت والألومنيوم. وهذا يترجم إلى انخفاض نطاقات القيادة وأوقات الشحن الطويلة، مما يعيق الاعتماد الواسع النطاق لبطاريات LFP في السيارات الكهربائية.

 

 

ولحسن الحظ، يكمن أحد المفاتيح في تصميم حجم جسيمات مواد بطاريات LFP بدقة. يؤثر حجم جزيئات LFP داخل البطارية بشكل كبير على أداء البطاريات. ويكشف فحص الآلية التشغيلية لبطاريات LFP عن أن حجم الجسيمات يلعب دوراً حاسماً في الجوانب التالية:

 

 

1. تتمتع جسيمات الكاثود LFP الأصغر حجماً بمساحة سطح أكبر مقارنة بحجمها. تسمح مساحة السطح الأكبر بمشاركة المزيد من أيونات الليثيوم في التفاعل مع جسيمات الكاثود. وبالتالي، يمكن تخزين وإطلاق المزيد من أيونات الليثيوم، مما يجعل البطارية قادرة على الاحتفاظ بالمزيد من الطاقة دون زيادة حجم البطارية.

 

2. تشكّل جزيئات الليثيوم المنخفضة المسامية الأصغر حجمًا بنية مسامية أدق فيما بينها، ما يسمح للإلكتروليت بالتغلغل بسهولة أكبر في بنية الكاثود، ما يسهّل نقل الأيونات بشكل أفضل، ويمكّن البطارية من الشحن والتفريغ بسرعة أكبر.

 

 

وباختصار، يمكن للباحثين ومهندسي التطوير، من خلال حجم أدق لمواد الكاثود LFP، أن يحققوا كثافة طاقة محسنة، ومعدلات شحن متسارعة، ومدى أطول، مع الحفاظ على السلامة المتأصلة والفعالية من حيث التكلفة التي تجعل بطاريات LFP جذابة للغاية في صناعة السيارات الكهربائية.

 

 

ومع ذلك، فإن الأمور ليست بسيطة مثل 'كلما كان حجم الجسيمات أرق، كان أداء البطارية أفضل'. نظرًا لأن جسيمات LFP الأصغر حجمًا تكون أكثر عرضة للتدهور الميكانيكي أثناء ركوب الدراجات (الشحن والتفريغ)، فإنها تقلل من عمر البطارية. أيضًا، في حين أن الجسيمات الأصغر توفر بنية مسامية للسماح للشوارد بالتغلغل بسهولة أكبر، فإن المساحة الفارغة الأكبر نسبيًا بين جسيمات LFP تقلل أيضًا من كثافة الطاقة الإجمالية للبطارية. ولذلك، فإن العثور على الحجم الأمثل للجسيمات أمر بالغ الأهمية لتحقيق التوازن بين فوائد المساحة السطحية العالية والحاجة إلى عمر افتراضي جيد، والاستفادة من كثافة الطاقة. ويعتمد هذا التحسين على حالة مادة الكاثود المحددة والاستخدام المقصود للبطارية.

 

 

لحل معضلة أداء جسيمات LFP أحادية الحجم، قد يكمن الحل الأمثل في توزيع حجم الجسيمات المختلطة (PSD). من خلال الجمع الاستراتيجي بين الجسيمات ذات الأحجام المختلفة، يمكن تحقيق التوازن بين المزايا التي يوفرها كل جزء حجم فردي بسهولة. تضمن الجسيمات الأصغر حجمًا مساحة سطح كافية لتفاعل أيونات الليثيوم، بينما تساعد الجسيمات الأكبر حجمًا على زيادة كثافة التعبئة والاستقرار الهيكلي. وبالتالي، من أجل تحقيق أداء فائق للبطارية، أصبح القياس والتحليل الدقيق لجزيئات جسيمات الليثيوم الموزعة المعقدة لمواد بطاريات الليثيوم منخفضة الفلورة أمرًا بالغ الأهمية لمزودي بطاريات الليثيوم منخفضة الفلورة بغض النظر عن مكونات بطاريات الليثيوم منخفضة الفلورة أحادية الحجم أو الخلائط الموزعة المعقدة.

 

 

تصميم القياس

 

يمثل التحكم الأمثل في معدل انحلال البولي بروتينات الليثيوم منخفضة الكثافة تحديات كبيرة. ومقارنةً بالطرق التقليدية مثل النخل، تقدم أجهزة تحليل حجم الجسيمات بالليزر بالحيز الليزري حلاً قويًا ودقيقًا لتوصيف توزيع حجم الجسيمات المعقدة داخل مواد أقطاب بطاريات الليثيوم منخفضة التفلور بدقة. وتستخدم هذه التقنية المتقدمة مبادئ الحيود الضوئي لقياس حجم الجسيمات عبر نطاق واسع من الأحجام، مما يوفر للباحثين بيانات دقيقة للغاية وقابلة للتكرار.

 

 

لتلبية الطلب على بطاريات الليثيوم LFP عالية الأداء، تقدم Bettersize Instruments جهاز Bettersize Instruments جهاز Bettersizer 2600 لقياسات حيود الجسيمات الضوئية الدقيقة في الصناعة. تعمل هذه الأداة على تحسين طريقة حيود الليزر، وتقيس بدقة حجم الجسيمات في نطاق 0.02 - 2600 ميكرومتر. يسمح تصميمه البصري الفريد من نوعه بتعدد الاستخدامات لمختلف حالات العينة، من المسحوق الجاف إلى الطين الرطب، مع التبديل الفعال بين وحدات التشتت والتغذية.

 

 

في هذه الدراسة، أُخذت جسيمات LFP بحجم ميكرون كعينات في حالة المساحيق الجافة. تم تشتيت عينات LFP في الماء بسبب عدم قابليتها للذوبان. وبالنظر إلى زيادة موثوقية البيانات إلى أقصى حد، تم استخدام وحدة التشتت الأوتوماتيكية ذات الحجم الكبير BT-802 مع الوحدة الرئيسية Bettersizer 2600 لإجراء قياس PSD. نظرًا لأن جسيمات LFP ذات كثافة كبيرة مقارنة بالماء، لتجنب الترسيب، يتم ضبط سرعة التقليب على 1800 دورة في الدقيقة.

 

 

Bettersizer 2600 مع BT-802

 

 

الحفاظ على سلامة القياس: معالجة الاتجاهات الشاذة لمقياس PSD واتجاهات التكدس

 

للتأكد من موثوقية نتائج PSD، يتم إجراء سلسلة من الاختبارات باستخدام نفس عينة LFP، ونفس طريقة أخذ العينات، ولكن مع أوقات تقليب/دوران مختلفة. مع إطالة وقت التقليب وتدوير العينة المعلقة، أظهرت نتيجة PSD ميلًا إلى الانخفاض بينما كانت قيمة التعتيم في ازدياد، كما هو موضح في الشكل 1 التالي.

 

 

الشكل 1. الاتجاهات غير الطبيعية لتوزيع الملوثات العضوية الثابتة والتعتيم

 

 

في معظم الحالات، لوحظ اتجاه نموذجي على الأرجح: أدى التحريك المطول إلى استقرار الـ PSD وقيمة تغميق ثابتة. ومع ذلك، أظهرت عينات LFP سلوكًا معاكسًا: انخفضت قيمة PSD مع التحريك الأطول، بينما زادت قيمة التعتيم. وعلاوة على ذلك، يشير الاتجاه الملحوظ في عينات LFP إلى سيناريو أكثر تعقيدًا: يشير 'تمايز' PSD إلى عملية مزدوجة (الشكل 2)

 

 

 
• التشتت: تتفتت مجموعة رئيسية من الجسيمات إلى جسيمات أصغر، حتى بعد 10 دقائق من التحريك. وهذا يشير إلى أن قوى التحريك غير كافية لتفتيت التجمعات بالكامل، مما يؤدي إلى انخفاض تدريجي في متوسط حجم الجسيمات.
 
• التكتل: يتكتل عدد أقل من الجسيمات في جسيمات أكبر، مما يساهم في زيادة التعتيم.
 

 

 

الشكل 2. ظاهرة 'التمايز' في 'التمايز

 

 

تشير هذه الظاهرة التي تبدو متناقضة إلى وجود حالة غير مستقرة داخل معلق العينة، والمعروفة أيضًا باسم التشتت غير المشبع، والتي تسلط الضوء على قيود طرق التشتت التقليدية للتقليب في عينات البوليمرات ذات الفلور المنخفضة. فقوى القص الناتجة عن آلية التقليب غير كافية للتغلب على قوى التماسك المتأصلة التي تمسك جزيئات البولي فلوريد الفينيل منخفض الكثافة معًا، مما يؤدي إلى تشتت غير مكتمل وعملية 'التمايز' الملحوظة.

 

 

التغلب على التشتت غير المشبع باستخدام المعالجة المسبقة المصممة خصيصًا

 

لحل هذه المشكلة الناجمة عن التشتت غير المشبع، هناك حاجة إلى مزيد من طاقة التشتت لمساعدة الجسيمات المتكتلة على التشتت في وقت قصير. يمكن هنا تطبيق التشتت على مرحلتين، بما في ذلك مرحلة ما قبل التشتت ومرحلة التشتت أثناء القياس. في هذه الحالة، تم تحضير معلق أكثر سمكًا عن طريق خلط مساحيق LFP الجافة مع الماء منزوع الأيونات، وتمت مرحلة ما قبل التشتت باستخدام المعلق الأكثر سمكًا.

 

 

تسخير الطاقة بالموجات فوق الصوتية للتشتت الفعال

 

للتغلب على قيود طرق التحريك التقليدية، ثبت أن التحريك بالموجات فوق الصوتية خطوة فعالة قبل التشتت. تستخدم هذه التقنية موجات صوتية عالية التردد لتوليد قوى قص مكثفة، مما يؤدي إلى تفتيت جزيئات LFP المتكتلة بفعالية وتعزيز تعليق أكثر اتساقًا. تم تحضير المعلق السميك المحضر بالموجات فوق الصوتية ثم تم تخفيفه باستخدام BT-802 قبل إجراء قياسات PSD الفعلية. تم إجراء كل اختبار مباشرة بعد إضافة العينات في BT-802 لتشكيل معلق مستقر.

 

 

إيجاد الاستراتيجية المثلى للتشتت المسبق:

 

تضمن هذا الفحص سلسلة من الاختبارات لاستكشاف مجموعات مختلفة من قوة الموجات فوق الصوتية والمدة. ترسم النتائج (الجدول 1) صورة واضحة: طاقة التشتت الكافية أمر حاسم لتحقيق استقرار المعلق قبل التشتت. يمكن توفير هذه الطاقة إما من خلال زيادة طاقة التشتت بالموجات فوق الصوتية أو تمديد وقت المعالجة.

 

 

الجدول1. قيمة PSD النموذجية لمجموعات مختلفة من طاقة التشتت بالموجات فوق الصوتية والمدة

                                                                                                                          

الطاقة (W)	القيمة النموذجية (ميكرومتر)	30 ثانية	1 دقيقة	3 دقائق	5 دقائق
270W	D10	0.328	0.327	0.324	0.325
	D50	0.817	0.773	0.758	0.762
	D90	4.740	2.426	2.323	2.242
360W	D10	0.330	0.327	0.326	0.324
	D50	0.813	0.757	0.746	0.752
	D90	3.039	2.970	2.354	2.344
420W	D10	0.324	0.324	0.324	0.324
	D50	0.731	0.728	0.729	0.724
	D90	1.830	1.790	1.755	1.753
510W	D10	0.325	0.326	0.324	0.324
	D50	0.724	0.722	0.721	0.719
	D90	1.726	1.706	1.703	1.705
570W	D10	0.325	0.325	0.325	0.325
	D50	0.719	0.715	0.718	0.719
	D90	1.693	1.707	1.708	1.704

 

 

تحقيق التوازن 510 واط ودقيقة واحدة للحصول على أفضل النتائج

 

سعيًا إلى تحقيق التوازن بين الطاقة والكفاءة، يمكن بسهولة تحديد 510 وات لمدة دقيقة واحدة كإعداد مثالي للتشتت المسبق لعينة LFP قيد الدراسة. وقد أدى هذا الإعداد إلى تشتيت الجسيمات بفعالية، مما أدى إلى تشتت الجسيمات بفعالية مما أدى إلى استقرار معدل التشتت المسبق للجسيمات بقيمة D100 تبلغ 10.27 ميكرومتر.

 

 

التحقق من الصحة من خلال اختبار التكرار:

 

لضمان موثوقية نهج التشتت المسبق هذا، تم إجراء ستة قياسات متكررة. وتوضح النتائج، المعروضة في الشكل 3، إمكانية تكرار ممتازة. كانت الانحرافات المعيارية لقيم D10 وD50 وD90 منخفضة بشكل ملحوظ (0.12% و0.05% و0.09% على التوالي)، مما يدل على الامتثال الكامل لمتطلبات المواصفة القياسية ISO 13320.

 

 

الشكل 3. اختبار قابلية التكرار لإجراءات قياس معدل انحراف البوصة الموضعي

 

 

الاستنتاج

 

يلعب التحكم الدقيق في التوزيع الدقيق لحجم جسيمات LFP دورًا محوريًا في أداء البطارية. ويوفر تحليل حيود الليزر، الذي يجسده جهاز Bettersizer 2600، أداة قيمة لمراقبة توزيع جسيمات البولي فلوريد الفينيل منخفض الكثافة في صناعة بطاريات الليثيوم. ومع ذلك، بالنسبة لمواد LFP ذات تحديات التشتت الفريدة، فإن تنفيذ إجراء محسّن للتشتت المسبق، مثل طريقة الموجات فوق الصوتية الموصوفة هنا، يثبت أنه ضروري. وتوضح هذه الدراسة فعالية هذا النهج، وتوضح قدرته على تحقيق قياسات مستقرة وموثوقة وقابلة للتكرار لقياس تشتت بطاريات الليثيوم منخفضة الفلورة مما يمكّن الباحثين والمهندسين في نهاية المطاف من تحسين أداء بطاريات الليثيوم منخفضة الفلورة.

 

 

 

نبذة عن المؤلف

        

ويتشن غان مهندس تطبيقات في بيترسايز إنسترومنتس

 

 

        

اكتشف أسرار بطاريات الليثيوم أيون عالية الأداء مع مجموعة من سبع ملاحظات تطبيقية للبطاريات. (بي دي إف)   احصل على نسختك الآن