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Análisis del tamaño de partícula y densidad apisonada de materiales de ánodo para baterías de iones de litio

2024-09-16Application Note

El tamaño de partícula y la densidad apisonada de los materiales de ánodo desempeñan un papel clave en el rendimiento de las baterías de iones de litio. Este estudio emplea el analizador de tamaño de partícula por difracción láser Bettersizer 2600 y el medidor de densidad apisonada BeDensi T3 Pro para investigar el efecto de diferentes proporciones de mezcla de dos muestras sobre su D50 y densidad apisonada. Los resultados pueden proporcionar una orientación valiosa para el desarrollo de formulaciones avanzadas de materiales de electrodos, contribuyendo así al avance de la tecnología de baterías.

Producto	Bettersizer 2600, BeDensi T3 Pro
Industria	Baterías y energía
Muestra	Grafito
Tipo de medición	Tamaño de partícula, Densidad apisonada
Tecnología de medición	Difracción láser, Caracterización de polvos

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Introducción

A medida que la demanda de dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos continúa aumentando, el mercado de baterías experimenta un rápido crecimiento, lo que exige baterías con tiempos de carga más rápidos, mayor densidad energética y mejor rendimiento de ciclo^[1].

Las propiedades del grafito como material de ánodo son fundamentales para el rendimiento de la batería. El tamaño de partícula del grafito tiene un impacto significativo en la cinética de intercalación y desintercalación de iones de litio, así como en la formación y estabilidad de la capa de interfase sólido-electrolito (SEI) ^[2]. La densidad apisonada, como medida del comportamiento a granel de los materiales en polvo, también influye en la densidad energética; una mayor densidad apisonada permite que la batería almacene más energía en el mismo volumen.

Esta nota de aplicación analiza el tamaño de partícula y la densidad apisonada de cuatro muestras de grafito utilizando un analizador por difracción láser y un medidor de densidad apisonada. Además, se estudia cómo las diferentes proporciones de mezcla de dos muestras afectan estas propiedades en la mezcla resultante.

Medición

El analizador de tamaño de partícula por difracción láser Bettersizer 2600, equipado con la unidad de dispersión húmeda BT-802, se utilizó para medir los valores de D50 (el tamaño de partícula correspondiente al 50 % de la frecuencia acumulada), basándose en la teoría de Mie. En este estudio, se tomaron aproximadamente 50 mg de grafito y se añadió sulfonato de alquilbenceno como tensioactivo a la muestra. Las mediciones se realizaron a una velocidad de rotación de 1200 rpm y con una duración de ultrasonido de 30 segundos.

Bettersizer-2600

Bettersizer 2600

El analizador de densidad compactada BeDensi T3 Pro se utilizó para medir la densidad compactada. En detalle, se empleó un cilindro graduado de 250 mL con una muestra de 50 g de grafito, que fue sometida a un número específico de golpes a una frecuencia de 250 golpes/min. La densidad medida se obtuvo mediante la fórmula que se indica a continuación:

measured-density-n-formula

Donde x representa el número acumulado de golpes, ρ denota la densidad, m corresponde a la masa y V representa el volumen.

BeDensi-T3-Pro

BeDensi T3 Pro

Resultados

El valor de D50 y la densidad apisonada correspondiente se presentan en la Tabla 1 y la Figura 1. La densidad apisonada aumenta con el incremento del D50. Las partículas de mayor tamaño alcanzan una mayor densidad apisonada al rellenar más eficazmente los espacios vacíos entre partículas, reduciendo el espacio interparticular en comparación con partículas más pequeñas. Una mayor densidad apisonada es beneficiosa para mejorar la densidad energética de la batería; sin embargo, este aumento va acompañado de un incremento en el tamaño de partícula, lo que puede generar efectos negativos.

Tabla 1. D50 y densidad apisonada de las muestras de grafito

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

Figura 1. D50 y densidad apisonada de las muestras de grafito

Como resultado, en los materiales de ánodo se suele utilizar una mezcla de partículas gruesas y finas para equilibrar la densidad apisonada y el tamaño de partícula.

La Tabla 2 muestra los valores de D50 y densidad apisonada de las muestras A y D con diferentes proporciones de mezcla. Dentro de un cierto rango, a medida que aumenta la proporción de partículas finas (A) en la mezcla, el D50 disminuye y la densidad apisonada aumenta. Esto se debe a que las partículas pequeñas pueden rellenar los espacios entre las partículas grandes; por lo tanto, cuanto mayor es la proporción de partículas finas, mayor es la densidad apisonada. Sin embargo, cuando hay un exceso de partículas finas, los espacios entre las partículas grandes se saturan y permanecen pequeños huecos entre las partículas finas. Dado que la densidad apisonada de las partículas finas es menor que la de las partículas grandes (véase la Tabla 1), a partir de un determinado umbral, el aumento de la proporción de partículas finas en la mezcla provoca una disminución de la densidad apisonada.

Tabla 2. D50 y densidad apisonada de diferentes proporciones de mezcla de grafito A y 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

Conclusión

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.