Optimizar la dispersión de los materiales de la batería para un mejor ensayo del tamaño de las partículas por difracción láser
2024-03-08Application Note
La medición precisa de la distribución granulométrica (PSD) del fosfato de hierro y litio (LFP) es crucial para optimizar el rendimiento de las baterías. Este estudio explora los retos asociados a la medición de la PSD de LFP y propone una solución a medida mediante la predispersión con ultrasonidos.
Los ajustes óptimos de predispersión, identificados mediante una serie de pruebas, implican ultrasonidos a 510 W durante 1 minuto. Este enfoque produce una PSD estable con un valor D100 de 10,27 μm y presenta una excelente repetibilidad, cumpliendo las normas ISO 13320. Este método permite a investigadores e ingenieros optimizar el rendimiento de las baterías LFP y acelerar el desarrollo de soluciones energéticas sostenibles.
| Producto | Bettersizer 2600 |
| Industria | Batería y Energía |
| Muestra | Fosfato de hierro y litio (cátodo, batería) |
| Tipo de medición | Tamaño de partículas |
| Tecnología de medición | Difracción láser |
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- Introducción
- Diseño de la medición
- Mantenimiento de la integridad de las mediciones: Tendencias anormales de PSD y oscurecimiento
- Superar la dispersión no saturada con un pretratamiento a medida
- Conclusión
Introducción
La floreciente revolución de los vehículos eléctricos (VE) depende del desarrollo de soluciones energéticas sostenibles y de alto rendimiento. Sin embargo, las limitaciones de autonomía siguen planteando un reto importante. Aunque las baterías de iones de litio ofrecen una vía prometedora, las baterías de litio-hierro-fosfato (LFP), alabadas por su excepcional seguridad y viabilidad económica, se enfrentan a una contrapartida: una menor densidad gravimétrica de energía en comparación con sus homólogas, como las de litio-níquel-manganeso-cobalto-óxido (NMC) o las de litio-níquel-cobalto-aluminio-óxido (NCA). Esto se traduce en una menor autonomía y unos tiempos de carga más prolongados, lo que impide la adopción generalizada de las baterías LFP en los vehículos eléctricos.
Afortunadamente, la clave reside en adaptar meticulosamente el tamaño de las partículas de los materiales de las baterías LFP. El tamaño de las partículas de LFP dentro de la batería influye profundamente en su rendimiento. El examen del mecanismo de funcionamiento de las baterías de LFP revela que el tamaño de las partículas desempeña un papel crucial en los siguientes aspectos:
1. Las partículas de cátodo de LFP más pequeñas tienen una mayor superficie en comparación con su volumen. Una mayor superficie permite que más iones de litio participen en la reacción con las partículas del cátodo. Así, se pueden almacenar y liberar más iones de litio, lo que hace que la batería pueda contener más energía sin aumentar su tamaño.
2. Las partículas de LFP más pequeñas forman una estructura porosa más fina entre ellas, lo que permite que el electrolito penetre más fácilmente en la estructura del cátodo, facilitando un mejor transporte iónico y permitiendo que la batería se cargue y descargue rápidamente.
En pocas palabras, con un cátodo de LFP de tamaño más fino, los investigadores y los ingenieros de desarrollo pueden mejorar la densidad energética, acelerar la velocidad de carga y ampliar la autonomía, todo ello conservando la seguridad inherente y la rentabilidad que hacen que las baterías de LFP sean tan atractivas para el sector de los vehículos eléctricos.
Sin embargo, las cosas no son tan sencillas como 'a menor tamaño de partícula, mejor rendimiento de la batería'. Dado que las partículas de LFP más pequeñas son más propensas a la degradación mecánica durante los ciclos (carga y descarga), reducen la vida útil de la batería. Además, aunque las partículas más pequeñas ofrecen una estructura porosa que permite que los electrolitos penetren más fácilmente, un espacio relativamente más vacío entre las partículas de LFP también reduce la densidad energética global de la batería. Por lo tanto, encontrar el tamaño óptimo de las partículas es crucial para equilibrar las ventajas de una elevada superficie con la necesidad de una buena vida útil, y para aprovechar la densidad de energía. Esta optimización depende del estado específico del material del cátodo y de la aplicación prevista de la batería.
Para resolver el dilema del rendimiento de las partículas de LFP de tamaño único, la solución óptima puede residir en una distribución mixta del tamaño de las partículas (PSD). Combinando estratégicamente partículas de distintos tamaños, se puede conseguir fácilmente un equilibrio entre las ventajas que ofrece cada fracción de tamaño individual. Las partículas más pequeñas garantizan una superficie suficiente para la interacción litio-ión, mientras que las más grandes ayudan a maximizar la densidad de empaquetamiento y la estabilidad estructural. Así pues, para obtener un rendimiento superior de la batería, medir y analizar con precisión las complejas PSD de los materiales LFP se está convirtiendo en algo de vital importancia para los proveedores de baterías de litio LFP, independientemente de que se trate de componentes LFP de un solo tamaño o de complejas mezclas distribuidas.
Diseño de la medición
El control óptimo de la PSD presenta importantes retos. En comparación con métodos tradicionales como el tamizado, los analizadores de tamaño de partículas por difracción láser ofrecen una solución potente y precisa para caracterizar con exactitud la intrincada distribución del tamaño de las partículas dentro de los materiales de los electrodos LFP. Esta técnica avanzada utiliza los principios de la difracción de la luz para medir el tamaño de las partículas en una amplia gama de tamaños, proporcionando a los investigadores datos altamente precisos y reproducibles.
Para satisfacer la demanda de baterías de litio LFP de alto rendimiento, Bettersize Instruments ofrece el Bettersizer 2600 para mediciones precisas de PSD en la industria. Este instrumento optimiza el método de difracción láser, midiendo con precisión el tamaño de partícula en el rango de 0,02 - 2600 μm. Su diseño óptico único permite versatilidad para varios estados de muestra, desde polvo seco a lodo húmedo, con conmutación eficiente entre las unidades de dispersión y alimentación.
En este estudio, las partículas LFP sintetizadas de tamaño micrométrico se toman como muestras en estado de polvo seco. Las muestras de LFP se dispersaron en agua debido a su insolubilidad. Para maximizar la fiabilidad de los datos, se utiliza una unidad de dispersión automática de gran volumen BT-802 con la unidad principal Bettersizer 2600 para realizar la medición de PSD. Dado que las partículas de LFP tienen una gran densidad en comparación con el agua, para evitar la sedimentación, la velocidad de agitación se fija en 1800 rpm.
Bettersizer 2600 con BT-802
Mantenimiento de la integridad de la medición: Tratamiento de tendencias anormales de PSD y oscurecimiento
Para garantizar la fiabilidad de los resultados de PSD, se realiza una serie de pruebas con la misma muestra de LFP y el mismo método de muestreo, pero con diferentes tiempos de agitación/circulación. Con el tiempo extendido de agitación y circulación de la suspensión de la muestra, el resultado de la PSD mostró una tendencia a disminuir mientras que el valor de oscurecimiento aumentaba, como se muestra en la siguiente figura 1.
Figura 1. PSD anormal y oscurecimiento Tendencias anormales de PSD y oscurecimiento
En la mayoría de los casos, es más probable que se observe una tendencia típica: la agitación prolongada dio lugar a una PSD estable y a un valor de oscurecimiento constante. Sin embargo, las muestras de LFP mostraron un comportamiento contrario a la intuición: la PSD disminuyó con una agitación más prolongada, mientras que el oscurecimiento aumentó. Además, la tendencia observada en las muestras LFP sugiere un escenario más complejo: la 'diferenciación' de la PSD indica un proceso dual (Figura 2)
- Dispersión: Una población principal de partículas se fragmenta en otras más pequeñas, incluso después de 10 minutos de agitación. Esto sugiere que las fuerzas de agitación son insuficientes para romper completamente los agregados, lo que conduce a una reducción gradual del tamaño medio de las partículas.
- Aglomeración: Un número menor de partículas se está aglomerando en otras más grandes, lo que contribuye al aumento del oscurecimiento.
Figura 2. El fenómeno de 'diferenciación' de la PSD
Este fenómeno aparentemente paradójico apunta hacia un estado inestable dentro de la suspensión de la muestra, también conocido como dispersión insaturada, que pone de manifiesto las limitaciones de los métodos tradicionales de dispersión por agitación para las muestras de LFP. Las fuerzas de cizallamiento generadas por el mecanismo de agitación son insuficientes para superar las fuerzas de cohesión inherentes que mantienen unidas las partículas de LFP, lo que conduce a una dispersión incompleta y al proceso de 'diferenciación' observado.
Superar la dispersión insaturada con un pretratamiento a medida
Para resolver este problema causado por la dispersión insaturada, se necesita más energía de dispersión para ayudar a que las partículas aglomeradas se dispersen en poco tiempo. En este caso puede aplicarse la dispersión en dos etapas, que incluye una etapa de predispersión y otra de dispersión durante la medición. En este caso, se preparó una suspensión más espesa mezclando polvos secos LFP con agua desionizada, y la etapa de predispersión se realizó con la suspensión más espesa.
Aprovechamiento de la energía ultrasónica para una dispersión eficaz
Para superar las limitaciones de los métodos de agitación tradicionales, la ultrasonicación ha demostrado ser una etapa de predispersión eficaz. Esta técnica utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para generar intensas fuerzas de cizallamiento, rompiendo eficazmente las partículas aglomeradas de LFP y promoviendo una suspensión más uniforme. La suspensión más espesa preparada se sometió a ultrasonidos y después se diluyó con el BT-802 antes de las mediciones reales de PSD. Todas las pruebas se realizaron inmediatamente después de añadir las muestras en BT-802 para formar una suspensión estable.
Búsqueda de la estrategia óptima de predispersión:
Esta investigación consistió en una serie de ensayos en los que se exploraron diferentes combinaciones de potencia y duración de la ultrasonicación. Los resultados (Tabla 1) ofrecen una imagen clara: una energía de dispersión suficiente es crucial para lograr una PSD estable. Esta energía puede obtenerse aumentando la potencia de ultrasonidos o prolongando la duración del tratamiento.
Tabla 1 Valor típico de PSD de diferentes combinaciones de potencia y duración de ultrasonidos
| Potencia (W) | Valor típico (μm) | 30 segundos | 1 minuto | 3 minutos | 5 minutos |
| 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 |
Encontrar el equilibrio: 510 W y 1 minuto para obtener resultados óptimos
Buscando un equilibrio entre potencia y eficacia, 510W durante 1 minuto puede identificarse fácilmente como la configuración óptima de predispersión para la muestra de LFP investigada. Esta configuración dispersó eficazmente las partículas, dando lugar a una PSD estable con un valor D100 de 10,27 μm.
Validación mediante pruebas de repetibilidad:
Para garantizar la fiabilidad de este enfoque de predispersión, se realizaron seis mediciones repetidas. Los resultados, presentados en la Figura 3, demuestran una excelente repetibilidad. Las desviaciones estándar de los valores D10, D50 y D90 fueron notablemente bajas (0,12%, 0,05% y 0,09%, respectivamente), lo que demuestra el pleno cumplimiento de los requisitos de la norma ISO 13320.
Figura 3. Prueba de repetibilidad de la medición de PSD Prueba de repetibilidad del procedimiento de medición de PSD
Conclusión
El control preciso de la distribución del tamaño de las partículas de LFP desempeña un papel fundamental en el rendimiento de las baterías. El análisis por difracción láser, ejemplificado por el Bettersizer 2600, ofrece una valiosa herramienta para controlar la PSD en la industria de las baterías de litio. Sin embargo, en el caso de los materiales LFP con problemas de dispersión únicos, la aplicación de un procedimiento de predispersión optimizado, como el método de ultrasonidos descrito aquí, resulta esencial. Este estudio demuestra la eficacia de este enfoque, mostrando su capacidad para lograr mediciones de PSD estables, fiables y repetibles, permitiendo en última instancia a los investigadores e ingenieros optimizar el rendimiento de las baterías de LFP.
Sobre el autor
 | Weichen Gan 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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