Exploración por difracción láser de la distribución del tamaño de las partículas en el ánodo compuesto de silicio/carbono para baterías de iones de litio
2024-03-06Application Note
Los ánodos compuestos de silicio/carbono están ganando atención en la próxima generación de baterías de iones de litio debido a su capacidad para aprovechar una capacidad específica significativa. Este estudio se centra en la maximización de la densidad energética de estos ánodos mediante el control de la distribución del tamaño de las partículas para conseguir una densidad de toma sustancial y una superficie específica adecuada. La combinación de Bettersizer 2600 y BT-80N es decisiva para proporcionar mediciones precisas y altamente repetibles de la distribución del tamaño de las partículas, diseñadas específicamente para los análisis que utilizan dispersantes orgánicos.
| Producto | Bettersizer 2600 |
| Industria | Batería y Energía |
| Muestra | Ánodo compuesto de silicio/carbono |
| Tipo de medición | Tamaño de partículas, distribución del tamaño de partículas |
| Tecnología de medición | Difracción láser |
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Introducción
Con el vigoroso desarrollo de nuevos dispositivos de almacenamiento de energía (dispositivos portátiles y vehículos eléctricos) , existe una creciente demanda de alta densidad energética en el componente central, las baterías de potencia. Los recientes avances en la tecnología de las baterías, sobre todo en los materiales para cátodos y ánodos, han sido fundamentales para lograr mejoras en la densidad energética de las baterías. En este contexto destacan los ánodos basados en silicio, que ofrecen una mayor capacidad específica y una mayor sostenibilidad en comparación con los ánodos convencionales. La utilización del silicio, un material abundante y ampliamente disponible, tiene el potencial de reducir la dependencia de recursos naturales finitos. Esto sitúa a los ánodos de silicio como la opción óptima para la próxima generación de baterías eléctricas, prometiendo un futuro sostenible y eficiente para las soluciones de almacenamiento de energía.
Los materiales compuestos de silicio/carbono, un subconjunto de los ánodos basados en el silicio, presentan una elevada capacidad específica para las nuevas baterías energéticas. La estructura general de este novedoso ánodo se muestra en la figura 1. Sin embargo, se enfrentan a retos como la reducción de la vida útil y la baja conductividad. Para abordar estos problemas, deben contemplarse materiales activos diseñados con una superficie específica adecuada y una densidad de toma significativa. En la optimización de microesferas compuestas de silicio/carbono, parámetros críticos como el tamaño y la distribución de las partículas influyen significativamente en la densidad de toma y el área superficial específica, afectando así a la vida útil del ciclo, la conductividad y la densidad energética de la batería. Esta nota de aplicación proporciona una inspección precisa sobre la distribución del tamaño de las partículas de un lote de muestras de compuestos de silicio/carbono, ofreciendo valiosas perspectivas para materiales de ánodos con una uniformidad excepcional.
Figura 1. Modelo estructural de silicio/carbono Modelo estructural de ánodos microdimensionados de silicio/carbono
Diseño de la medición
Cuando se mide el tamaño de las partículas del material del ánodo con un analizador láser de tamaño de partículas, es importante seleccionar un disolvente dispersante adecuado para evitar la agregación de partículas y garantizar una dispersión más uniforme en el líquido. En general, un buen dispersante para el análisis de tamaño de partículas no debe reaccionar con las muestras, proporcionar una dispersión consistente y contribuir a la estabilidad de la suspensión, etc. El isopropanol es un disolvente orgánico de uso común en muestras a base de silicona, ya que su baja tensión superficial contribuye a la dispersión uniforme de las partículas. La unidad de dispersión húmeda anticorrosiva BT-80N está diseñada para mediciones de tamaño de partículas con disolventes orgánicos como medio, que es adecuado para disolventes orgánicos comunes, por ejemplo:
Tabla 1. Disolventes orgánicos comunes utilizados en BT-80N
| Etanol | Metanol | Isopropanol | Éter |
| Tolueno | Xileno | Diclorometano | Octano |
| Acetato de etilo | Acetona | Oleato de metilo | Disolventes NMP |
Teniendo en cuenta los requisitos del ensayo de la muestra y del dispersante, este estudio utiliza el Bettersizer 2600 junto con el BT-80N para garantizar mediciones precisas y fiables del tamaño de las partículas. Los materiales implicados en este experimento incluyen cinco tipos de ánodos compuestos de silicio/carbono dispersados en isopropanol.
Bettersizer 2600 con BT-80N
Resultados y discusión
Análisis de la distribución del tamaño de las partículas
El tamaño y la distribución de las partículas de las muestras de ánodos de silicio se miden utilizando el Bettersizer 2600 y el BT80N. La figura 2 muestra la distribución del tamaño de las partículas de las 5 muestras, mientras que la tabla 2 presenta los valores de tamaño típicos correspondientes. El valor de tamaño medio (D50) de las cinco muestras es de 5,808 μm, 6,130 μm, 7,228 μm, 11,010 μm y 26,690 μm, respectivamente. La D50 de una distribución granulométrica se refiere al tamaño de partícula correspondiente a la frecuencia acumulativa del 50%, que es un parámetro típico para evaluar el proceso de carga-descarga, la vida cíclica y la estabilidad del material del ánodo.
Figura 2. Distribución granulométrica del ánodo de silicio/carbono
Tabla 2. Distribución del tamaño de las partículas del ánodo de silicio/carbono Valores típicos del tamaño de las partículas del ánodo de silicio/carbono
| Muestra | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) | Span |
| 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 |
Como se ha mencionado anteriormente, el área superficial específica está relacionada con la vida útil de la batería de iones de litio y, esencialmente, el área superficial específica es inversamente proporcional al tamaño de las partículas. De acuerdo con los resultados, el Bettersizer 2600 sobresale en la monitorización precisa del tamaño de partícula y la distribución de estos ánodos de tamaño micro preparados bajo el mismo proceso. Estas mediciones no sólo confirman su excepcional capacidad de resolución, sino que también validan su eficacia a la hora de optimizar la superficie específica y prolongar la vida útil del ciclo.
Además, una distribución desigual del tamaño de las partículas en los ánodos compuestos de silicio/carbono puede provocar una densidad de toma insuficiente y, por tanto, una baja densidad energética. Por lo tanto, centrarse en una distribución relativamente uniforme del tamaño de las partículas es crucial para los ánodos basados en silicio. Según el análisis, la muestra C muestra la distribución de tamaño de partícula más estrecha, lo que sugiere la distribución de partícula más uniforme entre estas cinco muestras.
Evaluación de la repetibilidad
En la evaluación de la repetibilidad de la muestra C, la figura 3 ilustra los resultados coherentes obtenidos en múltiples mediciones realizadas con el Bettersizer 2600 equipado con BT-80N. Los valores de repetibilidad para D10, D50 y D90, a saber, 0,11%, 0,03% y 0,09% respectivamente, caen significativamente por debajo de los límites estipulados en la norma ISO 13320. Por lo tanto, la utilización del Bettersizer 2600 para el análisis de la distribución granulométrica de los ánodos a base de silicio muestra una repetibilidad notable.
Figura 3. Prueba de repetibilidad de la muestra C Prueba de repetibilidad de la muestra C
Conclusión
Con el fin de promover las ventajas del compuesto de silicio/carbono y mejorar su densidad energética, es esencial centrarse en el tamaño de partícula y la distribución de este material. La demostración de Bettersizer 2600, junto con BT80N, pone de relieve su eficacia a la hora de ofrecer resultados precisos y coherentes para materiales de ánodos de tamaño micro. Según este estudio, el D50 de las cinco muestras es de 5,808 μm, 6,130 μm, 7,228 μm, 11,010 μm y 26,690 μm, respectivamente. Además, los valores de repetibilidad de la muestra C están muy por debajo de las limitaciones especificadas en la norma ISO 13320. Esto subraya sus capacidades avanzadas para medir el tamaño de las partículas con disolventes orgánicos, lo que proporciona información valiosa para la optimización de los ánodos basados en silicio para mejorar las soluciones de densidad de energía y el rendimiento de las baterías.
Sobre el autor
 | Feiqing Shen Ingeniero de aplicaciones @ Bettersize Instruments |
| Descubra los secretos de las baterías de iones de litio de alto rendimiento con la colección de SIETE notas de aplicación sobre baterías. (pdf) |  |
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