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Análisis del tamaño de partícula y de la densidad golpeada de materiales de ánodo de baterías de iones de litio

2024-09-16Application Note

Die Partikelgröße und die Stampfdichte von Anodenmaterialien spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Für diese Studie wurden das Laserbeugungs-Partikelgrößenmessgerät Bettersizer 2600 sowie der Stampfdichtetester BeDensi T3 Pro eingesetzt, um den Einfluss unterschiedlicher Mischungsverhältnisse zweier Proben auf deren D50-Wert und Stampfdichte zu untersuchen. Die Ergebnisse liefern wertvolle Hinweise für die Entwicklung fortschrittlicher Elektrodenmaterialformulierungen und tragen zur Weiterentwicklung der Batterietechnologie bei.

Produkte	Bettersizer 2600, BeDensi T3 Pro
Industrie	Batterie- und Energietechnik
Probe	Graphit
Messgrößen	Partikelgröße, Stampfdichte
Messtechnik	Laserbeugung, Pulvercharakterisierung

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Einleitung

Mit der stetig wachsenden Nachfrage nach tragbaren elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen erlebt der Batteriemarkt ein rasantes Wachstum. Dies erfordert Batterien mit schnellerer Ladefähigkeit, höherer Energiedichte und verbesserter Zyklenstabilität^[1].

Die Eigenschaften des Rohgraphits als Anodenmaterial sind von zentraler Bedeutung für die Batterieleistung. Die Partikelgröße von Graphit beeinflusst maßgeblich die Kinetik der Lithium-Ionen-Interkalation und -Deinterkalation sowie die Bildung und Stabilität der Solid Electrolyte Interphase (SEI)^[2]. Auch die Stampfdichte, die das Schüttverhalten pulverförmiger Rohstoffe beschreibt, hat einen direkten Einfluss auf die Energiedichte: Eine höhere Stampfdichte ermöglicht es, mehr Energie im gleichen Volumen zu speichern.

Für dieses Anwendungsbeispiel wurden die Partikelgröße und die Stampfdichte von vier Graphitrohstoffen mithilfe eines Laserbeugungsmessgerätes und eines Stampfdichtetesters untersucht. Darüber hinaus wurde analysiert, wie unterschiedliche Mischungsverhältnisse zweier Proben diese Eigenschaften der Mischung beeinflussen.

Messung

Der Bettersizer 2600 mit der Nassdispergiereinheit BT-802 wurde verwendet, um die D50-Werte (die Partikelgröße, die der kumulativen Häufigkeit von 50 % entspricht) auf der Grundlage Laserbeugung mit Hilfe der Mie-Theorie zu messen. Für diese Studie wurden etwa 50 mg Graphit entnommen und der Graphitprobe Alkylbenzolsulfonat als Tensid zugesetzt. Die Messungen wurden bei einer Rührerdrehzahl von 1200 U/min und einer Ultraschallbehandung von 30 Sekunden Dauer durchgeführt.

Bettersizer-2600

Bettersizer 2600

Der Klopfdichteprüfer BeDensi T3 Pro wurde zur Messung der Klopfdichte verwendet. Im Detail wurde ein 250-mL-Messzylinder mit einer 50-g-Probe Graphit mit einer festgelegten Klopfzahl bei 250 Klopfungen pro Minute geklopft. Die gemessene Dichte wurde mithilfe der unten angegebenen Formel berechnet:

measured-density-n-formula

Dabei steht x für die kumulative Anzahl der Stampfbewegungen, ρ für die Dichte, m für die Masse und V für das Volumen.

BeDensi-T3-Pro

BeDensi T3 Pro

Ergebnisse

Die D50-Werte der Proben und die zugehörigen Stampfdichten sind in Tabelle 1 und Abbildung 1 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stampfdichte mit zunehmendem D50-Wert ansteigt. Größere Partikel erreichen höhere Stampfdichten, da sie die Zwischenräume zwischen den Partikeln effektiver ausfüllen und somit den interpartikulären Raum stärker reduzieren als kleinere Partikel. Eine höhere Stampfdichte ist vorteilhaft für die Erhöhung der Energiedichte von Batterien; dieser Vorteil geht jedoch mit einer Zunahme der Partikelgröße einher, was auch negative Effekte haben kann.

Tabelle 1: D50-Werte und Stampfdichten der Graphitproben

Sample	D50 (μm)	Tapped density (g/cm³ )
Graphite A	9.2	0.9349
Graphite B	10.71	0.9801
Graphite C	15.83	1.0000
Graphite D	21.50	1.0568

Figure 1 The D50 and tapped density of graphite samples

Abbildung 1: D50-Werte und Stampfdichten der Graphitproben

Aus diesem Grund wird für Anodenmaterialien häufig eine Mischung aus groben und feinen Partikeln verwendet, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Stampfdichte und Partikelgröße zu erzielen.

Tabelle 2 zeigt die D50-Werte und Stampfdichten der Proben A und D bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen. Innerhalb eines bestimmten Bereichs führt ein höherer Anteil feiner Partikel (A) in der Mischung zu einer Abnahme des D50-Wertes und gleichzeitig zu einer Zunahme der Stampfdichte. Dies liegt daran, dass kleine Partikel die Zwischenräume zwischen größeren Partikeln ausfüllen können – je höher der Anteil kleiner Partikel, desto größer die Stampfdichte. Bei einem übermäßigen Anteil feiner Partikel sind die Zwischenräume zwischen den großen Partikeln jedoch ausgefüllt, sodass nur noch kleine Hohlräume zwischen den feinen Partikeln verbleiben. Da die Stampfdichte feiner Partikel geringer ist als die grober Partikel (siehe Tabelle 1), nimmt die Stampfdichte der Mischung ab einem bestimmten Schwellenwert wieder ab, wenn der Anteil feiner Partikel weiter steigt.

Tabelle 2: D50-Werte und Stampfdichten bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen von Graphit A und D

Sample	Blending ratio	D50 (μm)	Tapped density (g/cm³ )
D10A0	10:0	21.50	1.0568
D8A2	8:2	18.61	1.0917
D6A4	6:4	15.69	1.0788
D5A5	5:5	14.62	1.0621

Fazit

Die Partikelgröße und die Stampfdichte von Anodenmaterialien sind entscheidende Faktoren für die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Für diese Studie wurden der Bettersizer 2600 und der BeDensi T3 Pro eingesetzt, um den Einfluss unterschiedlicher Mischungsverhältnisse zweier Graphitproben auf deren D50-Werte und Stampfdichten zu untersuchen. Die Ergebnisse liefern wertvolle Anhaltspunkte für die Entwicklung optimierter Elektrodenmaterialformulierungen und leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung moderner Batterietechnologien.

References

[1]. Bläubaum, L., Röder, F., Nowak, C., Chan, H.S., Kwade, A. and Krewer, U., 2020. Impact of particle size distribution on performance of lithium - ion batteries. ChemElectroChem, 7(23), pp.4755-4766.

[2].An, S.J., Li, J., Daniel, C., Mohanty, D., Nagpure, S. and Wood III, D.L., 2016. The state of understanding of the lithium-ion-battery graphite solid electrolyte interphase (SEI) and its relationship to formation cycling. Carbon, 105, pp.52-76.