Exploration par diffraction laser de la distribution de la taille des particules dans l'anode composite silicium/carbone pour les batteries lithium-ion

Les anodes composites silicium/carbone sont de plus en plus utilisées dans la prochaine génération de batteries lithium-ion en raison de leur capacité à exploiter une capacité spécifique importante. Cette étude se concentre sur la maximisation de la densité énergétique de ces anodes en contrôlant la distribution de la taille des particules afin d'obtenir une densité importante et une surface spécifique appropriée. La combinaison du Bettersizer 2600 et du BT-80N permet d'obtenir des mesures précises et hautement reproductibles de la distribution de la taille des particules, spécialement conçues pour les analyses utilisant des dispersants organiques.

 

                        

Produit	Bettersizer 2600
Industrie	Batteries et énergie
Exemple d'anode	Anode composite silicium/carbone
Type de mesure	Taille des particules, distribution de la taille des particules
Technologie de mesure	Diffraction laser

 

 

Aller à une section :

 

 
• Introduction
 
• Conception des mesures
 
• Résultats et discussion
 
• Conclusion
 

 

 

---

 

Introduction

 

Avec le développement vigoureux de nouveaux dispositifs de stockage d'énergie (appareils portables et véhicules électriques), il existe une demande croissante pour une densité énergétique élevée dans le composant principal, les batteries de puissance. Les progrès récents dans la technologie des batteries, en particulier dans les matériaux pour les cathodes et les anodes, ont joué un rôle essentiel dans l'amélioration de la densité énergétique des batteries. Les anodes à base de silicium se distinguent particulièrement dans ce contexte, car elles offrent une capacité spécifique plus élevée et une plus grande durabilité que les anodes conventionnelles. L'utilisation du silicium, un matériau abondant et largement disponible, permet de réduire la dépendance à l'égard des ressources naturelles limitées. Les anodes à base de silicium constituent donc le choix optimal pour la prochaine génération de batteries d'énergie, promettant un avenir durable et efficace pour les solutions de stockage d'énergie.

 

 

Les matériaux composites silicium/carbone, un sous-ensemble d'anodes à base de silicium, présentent une capacité spécifique élevée pour les nouvelles batteries d'énergie. La structure générale de cette nouvelle anode est présentée à la figure 1. Néanmoins, ils sont confrontés à des problèmes tels qu'une durée de vie réduite et une faible conductivité. Pour résoudre ces problèmes, il convient d'envisager des matériaux actifs conçus avec une surface spécifique appropriée et une densité importante. Dans l'optimisation des microsphères composites silicium/carbone, des paramètres critiques tels que la taille et la distribution des particules influencent de manière significative la densité et la surface spécifique, affectant ainsi la durée de vie, la conductivité et la densité énergétique de la batterie. Cette note d'application fournit une inspection précise de la distribution de la taille des particules d'un lot d'échantillons composites silicium/carbone, offrant des informations précieuses pour les matériaux d'anode avec une uniformité exceptionnelle.

 

 

Figure 1. Modèle structurel des microanodes silicium/carbone

 

 

Conception de la mesure

 

Lors de la mesure de la taille des particules d'un matériau d'anode à l'aide d'un granulomètre laser, il est important de sélectionner un solvant dispersant approprié afin d'éviter l'agrégation des particules et d'assurer une dispersion plus uniforme dans le liquide. En général, un bon dispersant pour l'analyse de la taille des particules ne doit pas réagir avec les échantillons, fournir une dispersion uniforme et contribuer à la stabilité de la suspension, etc. L'isopropanol est un solvant organique couramment utilisé pour les échantillons à base de silicium, car sa faible tension superficielle contribue à la dispersion uniforme des particules. L'unité de dispersion humide anticorrosion BT-80N est conçue pour mesurer la taille des particules à l'aide de solvants organiques, qui conviennent aux solvants organiques courants, par exemple :

 

 

Tableau 1. Solvants organiques courants utilisés dans le BT-80N

                      

Éthanol	Méthanol	Isopropanol	Ether
Toluène	Xylène	Dichlorométhane	Octane
Acétate d'éthyle	Acétone	Oléate de méthyle	Solvants NMP

 

 

En tenant compte des exigences de l'essai de l'échantillon et du dispersant, cette étude utilise le Bettersizer 2600 avec le BT-80N pour garantir des mesures précises et fiables de la taille des particules. Les matériaux utilisés dans cette expérience comprennent cinq types d'anodes composites silicium/carbone dispersées dans de l'isopropanol.

 

Bettersizer 2600 avec BT-80N

 

 

 

Résultats et discussion

 

Analyse de la distribution de la taille des particules

 

La taille et la distribution des particules des échantillons d'anodes à base de silicium sont mesurées à l'aide du Bettersizer 2600 et du BT-80N. La figure 2 montre la distribution de la taille des particules pour les 5 échantillons, tandis que le tableau 2 présente les valeurs typiques correspondantes. La valeur médiane de la taille (D50) des cinq échantillons est respectivement de 5,808 μm, 6,130 μm, 7,228 μm, 11,010 μm et 26,690 μm. Le D50 d'une distribution granulométrique fait référence à la taille des particules correspondant à la fréquence cumulée de 50 %, qui est un paramètre typique pour évaluer le processus de charge-décharge, la durée de vie en cyclage et la stabilité du matériau d'anode.

 

 

Figure 2. Distribution de la taille des particules d'une anode en silicium/carbone

 

 

Tableau 2. Valeurs typiques de la taille des particules de l'anode en silicium/carbone

                                              

Échantillon	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

 

 

Comme indiqué précédemment, la surface spécifique est liée à la durée de vie d'une batterie lithium-ion et, essentiellement, la surface spécifique est inversement proportionnelle à la taille des particules. D'après les résultats, le Bettersizer 2600 excelle dans le contrôle précis de la taille et de la distribution des particules de ces anodes de taille microscopique préparées selon le même procédé. Ces mesures confirment non seulement sa capacité de résolution exceptionnelle, mais aussi son efficacité dans l'optimisation de la surface spécifique et l'allongement de la durée de vie.

 

 

En outre, une distribution inégale de la taille des particules dans les anodes composites silicium/carbone peut entraîner une densité insuffisante et donc une faible densité énergétique. Il est donc essentiel de se concentrer sur une distribution relativement uniforme de la taille des particules pour les anodes à base de silicium. D'après l'analyse, l'échantillon C présente la distribution granulométrique la plus étroite, ce qui suggère la distribution granulométrique la plus uniforme parmi ces cinq échantillons.

 

 

Évaluation de la répétabilité

 

Dans l'évaluation de la répétabilité de l'échantillon C, la figure 3 illustre les résultats cohérents obtenus à partir de mesures multiples effectuées par le Bettersizer 2600 équipé du BT-80N. Les valeurs de répétabilité pour D10, D50 et D90, à savoir 0,11 %, 0,03 % et 0,09 % respectivement, sont nettement inférieures aux limites stipulées dans la norme ISO 13320. Par conséquent, l'utilisation du Bettersizer 2600 pour l'analyse de la distribution granulométrique des anodes à base de silicium montre une répétabilité remarquable.

 

 

Figure 3. Test de répétabilité de l'échantillon C

 

 

Conclusion

 

Afin de promouvoir les avantages du composite silicium/carbone et d'améliorer sa densité énergétique, il est essentiel de se concentrer sur la taille et la distribution des particules de ce matériau. La démonstration du Bettersizer 2600, couplé au BT80N, met en évidence son efficacité à fournir des résultats précis et cohérents pour les matériaux d'anode de taille micro. Sur la base de cette étude, le D50 des cinq échantillons est respectivement de 5,808 μm, 6,130 μm, 7,228 μm, 11,010 μm et 26,690 μm. En outre, les valeurs de répétabilité de l'échantillon C sont bien inférieures aux limites spécifiées dans la norme ISO 13320. Cela souligne ses capacités avancées en matière de mesure de la taille des particules avec des solvants organiques, fournissant des indications précieuses sur l'optimisation des anodes à base de silicium pour améliorer les solutions de densité énergétique et les performances des batteries.

 

 

À propos de l'auteur

        

Feiqing Shen Ingénieur d'application @ Bettersize Instruments

 

 

        

Découvrez les secrets des batteries lithium-ion haute performance grâce à cette collection de SEPT notes d'application sur les batteries. (pdf)   Obtenez votre copie maintenant