Optimierung der Dispersion von Batteriematerialien für einen besseren Laserbeugungspartikeltest

Die genaue Messung der Partikelgrößenverteilung (PSD) von Lithiumeisenphosphat (LFP) ist für die Optimierung der Batterieleistung entscheidend. Diese Studie untersucht die Herausforderungen, die mit der PSD-Messung von LFP verbunden sind, und schlägt eine maßgeschneiderte Lösung durch Vordispergierung mit Ultraschall vor.

Die optimalen Vordispergierungseinstellungen, die durch eine Reihe von Tests ermittelt wurden, beinhalten eine Ultraschallbehandlung bei 510 W für 1 Minute. Dieser Ansatz führt zu einer stabilen PSD mit einem D100-Wert von 10,27 μm und weist eine hervorragende Wiederholbarkeit auf, die den ISO-Normen 13320 entspricht. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern und Ingenieuren, die Leistung von LFP-Batterien zu optimieren und die Entwicklung von nachhaltigen Energielösungen zu beschleunigen.

 

                        

Produkt	Bettersizer 2600
Industrie	Batterie und Energie
Beispiel	Lithiumeisenphosphat (Kathode, Batterie)
Messung Typ	Partikelgröße
Messtechnik	Laserbeugung

 

 

Zu einem Abschnitt springen:

 

 
• Einführung
 
• Aufbau der Messung
 
• Aufrechterhaltung der Messintegrität: Umgang mit abnormalen PSD- und Obskurationstrends
 
• Überwindung ungesättigter Dispersion mit maßgeschneiderter Vorbehandlung
 
• Schlussfolgerung
 

 

 

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Einleitung

 

Die aufkeimende Revolution der Elektrofahrzeuge (EV) hängt von der Entwicklung leistungsstarker, nachhaltiger Energielösungen ab. Die begrenzte Reichweite stellt jedoch weiterhin eine große Herausforderung dar. Während Lithium-Ionen-Batterien einen vielversprechenden Weg bieten, haben Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LFP), die für ihre außergewöhnliche Sicherheit und Wirtschaftlichkeit gelobt werden, einen Nachteil: Sie haben eine geringere gravimetrische Energiedichte als ihre Gegenstücke, wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxide (NCA). Dies führt zu geringeren Reichweiten und längeren Ladezeiten, was die breite Einführung von LFP-Batterien in Elektrofahrzeugen behindert.

 

 

Glücklicherweise liegt ein Schlüssel in der sorgfältigen Anpassung der Partikelgröße von LFP-Batteriematerialien. Die Größe der LFP-Partikel in der Batterie hat einen großen Einfluss auf die Leistung der Batterien. Die Untersuchung des Funktionsmechanismus von LFP-Batterien zeigt, dass die Partikelgröße bei den folgenden Aspekten eine entscheidende Rolle spielt:

 

 

1. Kleinere LFP-Kathodenpartikel haben eine größere Oberfläche im Vergleich zu ihrem Volumen. Eine größere Oberfläche ermöglicht es mehr Lithium-Ionen, an der Reaktion mit den Kathodenpartikeln teilzunehmen. So können mehr Lithiumionen gespeichert und freigesetzt werden, so dass die Batterie mehr Energie aufnehmen kann, ohne dass sie größer wird.

 

2. Kleinere LFP-Partikel bilden untereinander eine feinere poröse Struktur, so dass der Elektrolyt leichter in die Kathodenstruktur eindringen kann, was einen besseren Ionentransport ermöglicht und ein schnelles Laden und Entladen der Batterie erlaubt.

 

 

Kurz gesagt, mit einer feineren LFP-Kathodenmaterialgröße können Forscher und Entwicklungsingenieure eine höhere Energiedichte, schnellere Laderaten und eine größere Reichweite erzielen und dabei die inhärente Sicherheit und Kosteneffizienz beibehalten, die LFP-Batterien für die EV-Industrie so attraktiv machen.

 

 

Die Dinge sind jedoch nicht so einfach wie 'je dünner die Partikelgröße, desto besser die Batterieleistung'. Da kleinere LFP-Partikel während der Zyklen (Laden und Entladen) anfälliger für mechanische Degradation sind, verkürzen sie die Lebensdauer der Batterie. Außerdem bieten kleinere Partikel zwar eine poröse Struktur, durch die Elektrolyte leichter eindringen können, aber ein relativ großer Hohlraum zwischen den LFP-Partikeln verringert auch die Gesamtenergiedichte der Batterie. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die optimale Partikelgröße zu finden, um die Vorteile einer großen Oberfläche mit der Notwendigkeit einer guten Lebensdauer und der Nutzung der Energiedichte in Einklang zu bringen. Diese Optimierung hängt von der Beschaffenheit des Kathodenmaterials und der geplanten Anwendung der Batterie ab.

 

 

Um das Leistungsdilemma der LFP-Partikel mit nur einer Größe zu lösen, könnte die optimale Lösung in einer gemischten Partikelgrößenverteilung (PSD) liegen. Durch die strategische Kombination von Partikeln unterschiedlicher Größe kann ein Gleichgewicht zwischen den Vorteilen der einzelnen Größenfraktionen erreicht werden. Kleinere Partikel gewährleisten eine ausreichende Oberfläche für die Lithium-Ionen-Interaktion, während größere Partikel die Packungsdichte und die strukturelle Stabilität maximieren helfen. Um eine bessere Batterieleistung zu erzielen, ist es für Anbieter von LFP-Lithiumbatterien von entscheidender Bedeutung, die komplexen PSDs von LFP-Materialien genau zu messen und zu analysieren, unabhängig davon, ob es sich um LFP-Komponenten in Einzelgröße oder um komplex verteilte Mischungen handelt.

 

 

Design der Messung

 

Eine optimale PSD-Kontrolle stellt eine große Herausforderung dar. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie dem Sieben bieten Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysatoren eine leistungsstarke und präzise Lösung zur genauen Charakterisierung der komplizierten Partikelgrößenverteilung in LFP-Elektrodenmaterialien. Diese fortschrittliche Technik nutzt die Prinzipien der Lichtbeugung zur Messung der Partikelgröße in einem breiten Größenbereich und liefert den Forschern äußerst genaue und reproduzierbare Daten.

 

 

Um die Nachfrage nach leistungsstarken LFP-Lithiumbatterien zu befriedigen, bietet Bettersize Instruments den Bettersizer 2600 für präzise PSD-Messungen in der Industrie an. Dieses Gerät optimiert die Laserbeugungsmethode und misst die Partikelgröße präzise im Bereich von 0,02 - 2600 μm. Sein einzigartiges optisches Design ermöglicht Vielseitigkeit für verschiedene Probenzustände, von trockenem Pulver bis zu nassem Schlamm, mit effizienter Umschaltung zwischen Dispergier- und Dosiereinheiten.

 

 

In dieser Studie wurden synthetisierte LFP-Partikel in Mikrongröße als Proben in einem Zustand von trockenem Pulver genommen. Die LFP-Proben wurden aufgrund ihrer Unlöslichkeit in Wasser dispergiert. Um die Zuverlässigkeit der Daten zu maximieren, wird für die PSD-Messung eine großvolumige automatische Dispergiereinheit BT-802 zusammen mit der Bettersizer 2600 Haupteinheit verwendet. Da LFP-Partikel im Vergleich zu Wasser eine hohe Dichte haben, wird die Rührgeschwindigkeit auf 1800 U/min eingestellt, um Sedimentation zu vermeiden.

 

 

Bettersizer 2600 mit BT-802

 

 

Aufrechterhaltung der Messintegrität: Umgang mit abnormalen PSD- und Obskurationstrends

 

Um die Zuverlässigkeit der PSD-Ergebnisse zu gewährleisten, wird eine Reihe von Tests mit der gleichen LFP-Probe und der gleichen Probenahmemethode, aber mit unterschiedlichen Rühr- und Zirkulationszeiten durchgeführt. Mit zunehmender Dauer des Rührens und Umwälzens der Probensuspension nahm das PSD-Ergebnis tendenziell ab, während der Verdunkelungswert anstieg, wie in der folgenden Abbildung 1 dargestellt.

 

 

Abbildung 1. Abnormale PSD- und Verdunkelungs-Trends

 

 

In den meisten Fällen ist eher ein typischer Trend zu beobachten: Längeres Rühren führte zu einer stabilen PSD und einem konstanten Verdunkelungswert. Die LFP-Proben zeigten jedoch ein kontraintuitives Verhalten: Die PSD nahm mit längerem Rühren ab, während die Verdunkelung zunahm. Darüber hinaus deutet der beobachtete Trend bei den LFP-Proben auf ein komplexeres Szenario hin: Die PSD-'Differenzierung' deutet auf einen doppelten Prozess hin (Abbildung 2)

 

 

 
• Dispersion: Eine Hauptpopulation von Partikeln zersplittert in kleinere Partikel, selbst nach 10 Minuten Rühren. Dies deutet darauf hin, dass die Rührkräfte nicht ausreichen, um die Aggregate vollständig aufzubrechen, was zu einer allmählichen Verringerung der durchschnittlichen Partikelgröße führt.
 
• Agglomeration: Eine geringere Anzahl von Partikeln agglomeriert zu größeren Partikeln, was zu einer erhöhten Trübung beiträgt.
 

 

 

Abbildung 2. Das PSD-'Differenzierungs'-Phänomen

 

 

Dieses scheinbar paradoxe Phänomen deutet auf einen instabilen Zustand innerhalb der Probensuspension hin, der auch als ungesättigte Dispersion bezeichnet wird und die Grenzen herkömmlicher Rührdispersionsmethoden für LFP-Proben aufzeigt. Die durch den Rührmechanismus erzeugten Scherkräfte reichen nicht aus, um die inhärenten Kohäsionskräfte zu überwinden, die die LFP-Partikel zusammenhalten, was zu einer unvollständigen Dispersion und dem beobachteten 'Differenzierungs'-Prozess führt.

 

 

Überwindung der ungesättigten Dispersion durch maßgeschneiderte Vorbehandlung

 

Um das Problem der ungesättigten Dispersion zu lösen, wird mehr Dispersionsenergie benötigt, damit die agglomerierten Partikel in kurzer Zeit dispergiert werden können. Die zweistufige Dispersion, die eine Vordispergierstufe und die Dispergierstufe während der Messung umfasst, kann hier angewendet werden. In diesem Fall wurde eine dickere Suspension durch Mischen von trockenen LFP-Pulvern mit entionisiertem Wasser hergestellt, und die Vordispergierung wurde mit der dickeren Suspension durchgeführt.

 

 

Nutzung der Ultraschallenergie für eine wirksame Dispersion

 

Um die Einschränkungen herkömmlicher Rührmethoden zu überwinden, hat sich die Ultraschallbehandlung als wirksamer Vordispergierschritt erwiesen. Bei dieser Technik werden Hochfrequenz-Schallwellen eingesetzt, um starke Scherkräfte zu erzeugen, die agglomerierte LFP-Partikel wirksam aufbrechen und eine gleichmäßigere Suspension fördern. Die vorbereitete dickere Suspension wurde mit Ultraschall behandelt und dann vor den eigentlichen PSD-Messungen mit BT-802 verdünnt. Jeder Test wurde unmittelbar nach Zugabe der Proben in BT-802 durchgeführt, um eine stabile Suspension zu bilden.

 

 

Suche nach der optimalen Vordispergierstrategie:

 

Diese Untersuchung umfasste eine Reihe von Tests, bei denen verschiedene Kombinationen von Ultraschallleistung und -dauer untersucht wurden. Die Ergebnisse (Tabelle 1) zeichnen ein klares Bild: Eine ausreichende Dispergierungsenergie ist entscheidend für eine stabile PSD. Diese Energie kann entweder durch eine höhere Ultraschallleistung oder eine längere Behandlungsdauer bereitgestellt werden.

 

 

Tabelle 1. Typische PSD-Werte für verschiedene Kombinationen von Ultraschallleistung und Behandlungsdauer

                                                                                                                          

Leistung (W)	Typischer Wert (μm)	30 Sekunden	1 Minute	3 Minuten	5 Minuten
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

 

 

Ein Gleichgewicht finden: 510 W und 1 Minute für optimale Ergebnisse

 

Auf der Suche nach einem Gleichgewicht zwischen Leistung und Effizienz lässt sich 510 W für 1 Minute leicht als optimale Vordispergiereinstellung für die untersuchte LFP-Probe identifizieren. Diese Konfiguration dispergierte die Partikel effektiv und führte zu einem stabilen PSD mit einem D100-Wert von 10,27 μm.

 

 

Validierung durch Wiederholbarkeitstests:

 

Um die Zuverlässigkeit dieses Vordispergierungsansatzes zu gewährleisten, wurden sechs wiederholte Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse, die in Abbildung 3 dargestellt sind, zeigen eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit. Die Standardabweichungen für D10-, D50- und D90-Werte waren bemerkenswert gering (0,12 %, 0,05 % bzw. 0,09 %), was die vollständige Übereinstimmung mit den Anforderungen der ISO 13320 belegt.

 

 

Abbildung 3. Wiederholbarkeitstest des PSD-Messverfahrens

 

 

Schlussfolgerung

 

Die genaue Kontrolle der Partikelgrößenverteilung von LFP spielt eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit von Batterien. Die Laserbeugungsanalyse am Beispiel des Bettersizer 2600 ist ein wertvolles Instrument zur Überwachung der PSD in der Lithiumbatterieindustrie. Für LFP-Materialien mit besonderen Dispersionsproblemen ist jedoch ein optimiertes Vordispergierverfahren, wie die hier beschriebene Ultraschallmethode, unerlässlich. Diese Studie demonstriert die Effektivität dieses Ansatzes und zeigt, dass damit stabile, zuverlässige und wiederholbare PSD-Messungen möglich sind, die es Forschern und Ingenieuren letztendlich ermöglichen, die Leistung von LFP-Batterien zu optimieren.

 

 

 

Über den Autor

        

Weichen Gan Anwendungsingenieur @ Bettersize Instruments

 

 

        

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