Optimiser la dispersion des matériaux de batteries pour un meilleur test de taille de particules par diffraction laser
2024-03-08Application Note
La mesure précise de la distribution granulométrique (PSD) du phosphate de fer lithié (LFP) est cruciale pour optimiser les performances des batteries. Cette étude explore les défis associés à la mesure de la PSD du LFP et propose une solution sur mesure grâce à la prédispersion par ultrasons.
Les paramètres optimaux de prédispersion, identifiés par une série de tests, impliquent une ultrasonication à 510W pendant 1 minute. Cette approche permet d'obtenir un PSD stable avec une valeur D100 de 10,27 μm et présente une excellente répétabilité, conforme aux normes ISO 13320. Cette approche donne aux chercheurs et aux ingénieurs les moyens d'optimiser les performances des batteries LFP et d'accélérer le développement de solutions énergétiques durables.
| Produit | Bettersizer 2600 |
| Secteur d'activité | Batteries et énergie |
| Échantillon | Phosphate de fer lithié (cathode, batterie) |
| Type de mesure | Taille des particules |
| Technologie de mesure | Diffraction laser |
Aller à une section :
- Introduction
- Conception des mesures
- Maintien de l'intégrité des mesures : Traiter les tendances anormales de DSP et d'obscurcissement
- Surmonter la dispersion non saturée grâce à un prétraitement adapté
- Conclusion
Introduction
La révolution des véhicules électriques (VE) en plein essor repose sur le développement de solutions énergétiques durables et performantes. Cependant, les limitations d'autonomie continuent de poser un défi important. Si les batteries lithium-ion offrent une voie prometteuse, les batteries lithium-phosphate de fer (LFP), louées pour leur sécurité exceptionnelle et leur viabilité économique, sont confrontées à un compromis : une densité énergétique gravimétrique inférieure à celle de leurs homologues, tels que l'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NMC) ou l'oxyde de lithium nickel cobalt aluminium (NCA). Cela se traduit par une autonomie réduite et des temps de charge prolongés, ce qui entrave l'adoption généralisée des batteries LFP dans les VE.
Heureusement, la clé réside dans l'adaptation méticuleuse de la taille des particules des matériaux des batteries LFP. La taille des particules LFP dans la batterie a un impact profond sur les performances des batteries. L'examen du mécanisme opérationnel des batteries LFP révèle que la taille des particules joue un rôle crucial dans les aspects suivants :
1. Les particules cathodiques LFP plus petites ont une plus grande surface par rapport à leur volume. Une surface plus grande permet à davantage d'ions lithium de participer à la réaction avec les particules de la cathode. Ainsi, davantage d'ions lithium peuvent être stockés et libérés, ce qui permet à la batterie de contenir plus d'énergie sans augmenter sa taille.
2. Les particules LFP plus petites forment une structure poreuse plus fine entre elles, ce qui permet à l'électrolyte de pénétrer plus facilement dans la structure de la cathode, facilite le transport ionique et permet à la batterie de se charger et de se décharger rapidement.
En bref, avec un matériau cathodique LFP plus fin, les chercheurs et les ingénieurs en développement peuvent améliorer la densité énergétique, accélérer les taux de charge et augmenter l'autonomie, tout en préservant la sécurité inhérente et la rentabilité qui rendent les batteries LFP si attrayantes pour l'industrie des véhicules électriques.
Toutefois, les choses ne sont pas aussi simples que 'plus les particules sont fines, plus la batterie est performante'. Étant donné que les particules LFP plus petites sont plus sujettes à la dégradation mécanique pendant les cycles (charge et décharge), elles réduisent la durée de vie de la batterie. En outre, si les particules plus petites offrent une structure poreuse permettant aux électrolytes de pénétrer plus facilement, l'espace vide relativement plus important entre les particules LFP réduit également la densité énergétique globale de la batterie. Par conséquent, il est essentiel de trouver la taille optimale des particules pour équilibrer les avantages d'une surface élevée avec la nécessité d'une bonne durée de vie et d'utiliser la densité d'énergie. Cette optimisation dépend de l'état spécifique du matériau de la cathode et de l'application prévue de la batterie.
Pour résoudre le dilemme des performances des particules LFP de taille unique, la solution optimale peut résider dans une distribution granulométrique mixte (PSD). En combinant stratégiquement des particules de tailles différentes, il est facile d'atteindre un équilibre entre les avantages offerts par chaque fraction de taille. Les particules les plus petites garantissent une surface suffisante pour l'interaction lithium-ion, tandis que les plus grosses contribuent à maximiser la densité d'empilement et la stabilité structurelle. Ainsi, pour améliorer les performances des batteries, la mesure et l'analyse précises des PSD complexes des matériaux LFP deviennent d'une importance vitale pour les fournisseurs de batteries au lithium LFP, qu'il s'agisse de composants LFP de taille unique ou de mélanges distribués complexes.
Conception des mesures
Le contrôle optimal de la DSP présente des défis importants. Par rapport aux méthodes traditionnelles telles que le tamisage, les analyseurs de taille de particules par diffraction laser offrent une solution puissante et précise pour caractériser avec exactitude la distribution complexe de la taille des particules dans les matériaux d'électrodes LFP. Cette technique avancée utilise les principes de la diffraction de la lumière pour mesurer la taille des particules dans une large gamme de tailles, fournissant aux chercheurs des données très précises et reproductibles.
Pour répondre à la demande de batteries au lithium LFP de haute performance, Bettersize Instruments propose le Bettersizer 2600 pour des mesures PSD précises dans l'industrie. Cet instrument optimise la méthode de diffraction laser, mesurant avec précision la taille des particules dans la plage de 0,02 à 2600 μm. Sa conception optique unique permet une polyvalence pour divers états de l'échantillon, de la poudre sèche à la boue humide, avec une commutation efficace entre les unités de dispersion et d'alimentation.
Dans cette étude, des particules de LFP synthétisées de taille micrométrique sont prises comme échantillons à l'état de poudres sèches. Les échantillons de LFP ont été dispersés dans l'eau en raison de leur insolubilité. Afin de maximiser la fiabilité des données, une unité de dispersion automatique BT-802 à grand volume est utilisée avec l'unité principale du Bettersizer 2600 pour effectuer la mesure PSD. Les particules de LFP ayant une densité élevée par rapport à l'eau, la vitesse d'agitation est fixée à 1800 tours/minute afin d'éviter la sédimentation.
Bettersizer 2600 avec BT-802
Maintien de l'intégrité des mesures : Traitement des tendances anormales de DSP et d'obscurcissement
Pour garantir la fiabilité des résultats de DSP, une série de tests est effectuée avec le même échantillon LFP et la même méthode d'échantillonnage, mais avec des temps d'agitation/de circulation différents. Avec l'allongement de la durée d'agitation et de circulation de la suspension de l'échantillon, le résultat de la DSP a eu tendance à diminuer tandis que la valeur d'obscurcissement augmentait, comme le montre la figure 1 ci-dessous.
Figure 1. Tendances anormales de la DSP et de l'obscurcissement
Dans la plupart des cas, une tendance typique est plus susceptible d'être observée : une agitation prolongée a conduit à un PSD stable et à une valeur d'obscurcissement cohérente. Cependant, les échantillons LFP ont présenté un comportement contre-intuitif : le PSD a diminué avec une agitation plus longue, tandis que l'obscurcissement a augmenté. En outre, la tendance observée dans les échantillons LFP suggère un scénario plus complexe : la 'différenciation' du PSD indique un double processus (figure 2)
- Dispersion: Une population principale de particules se fragmente en particules plus petites, même après 10 minutes d'agitation. Cela suggère que les forces d'agitation sont insuffisantes pour briser complètement les agrégats, ce qui entraîne une réduction progressive de la taille moyenne des particules.
- Agglomération: Un nombre réduit de particules s'agglomère en particules plus grandes, ce qui contribue à l'augmentation de l'obscurcissement.
Figure 2. Le phénomène de 'différenciation' de la DSP
Ce phénomène apparemment paradoxal indique un état instable dans la suspension de l'échantillon, également connu sous le nom de dispersion non saturée, qui met en évidence les limites des méthodes traditionnelles de dispersion par agitation pour les échantillons de PFL. Les forces de cisaillement générées par le mécanisme d'agitation sont insuffisantes pour surmonter les forces de cohésion inhérentes qui maintiennent les particules de PFL ensemble, ce qui entraîne une dispersion incomplète et le processus de 'différenciation' observé.
Surmonter la dispersion non saturée grâce à un prétraitement adapté
Pour résoudre ce problème de dispersion non saturée, il est nécessaire d'augmenter l'énergie de dispersion afin d'aider les particules agglomérées à se disperser en peu de temps. La dispersion en deux étapes, comprenant une étape de prédispersion et une étape de dispersion pendant la mesure, peut être appliquée ici. Dans ce cas, une suspension plus épaisse a été préparée en mélangeant des poudres sèches de LFP avec de l'eau désionisée, et l'étape de prédispersion a été réalisée avec la suspension plus épaisse.
Exploitation de l'énergie ultrasonique pour une dispersion efficace
Pour surmonter les limites des méthodes d'agitation traditionnelles, les ultrasons se sont avérés être une étape de prédispersion efficace. Cette technique utilise des ondes sonores à haute fréquence pour générer des forces de cisaillement intenses, brisant efficacement les particules de PFL agglomérées et favorisant une suspension plus uniforme. La suspension plus épaisse préparée a été traitée par ultrasons, puis diluée avec le BT-802 avant les mesures PSD proprement dites. Chaque test a été effectué immédiatement après l'ajout des échantillons dans le BT-802 pour former une suspension stable.
Trouver la stratégie optimale de pré-dispersion :
Cette étude a consisté en une série de tests explorant différentes combinaisons de puissance et de durée d'ultrasonication. Les résultats (tableau 1) montrent clairement qu'une énergie de dispersion suffisante est essentielle pour obtenir une DSP stable. Cette énergie peut être apportée soit par une augmentation de la puissance des ultrasons, soit par un allongement de la durée du traitement.
Tableau 1. Valeur typique de la DSP pour différentes combinaisons de puissance et de durée d'ultrasons
| Puissance (W) | Valeur typique (μm) | 30 secondes | 1 minute | 3 minutes | 5 minutes |
| 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 |
Trouver l'équilibre : 510W et 1 minute pour des résultats optimaux
À la recherche d'un équilibre entre puissance et efficacité, 510W pendant 1 minute peut être facilement identifié comme le réglage optimal de pré-dispersion pour l'échantillon de LFP étudié. Cette configuration a permis de disperser efficacement les particules, conduisant à un PSD stable avec une valeur D100 de 10,27 μm.
Validation par des tests de répétabilité :
Pour garantir la fiabilité de cette approche de prédispersion, six mesures répétées ont été effectuées. Les résultats, présentés dans la figure 3, démontrent une excellente répétabilité. Les écarts types pour les valeurs D10, D50 et D90 étaient remarquablement faibles (0,12 %, 0,05 % et 0,09 %, respectivement), ce qui démontre une conformité totale avec les exigences de la norme ISO 13320.
Figure 3. Test de répétabilité de la procédure de mesure de la DSP
Conclusion
Le contrôle précis de la distribution de la taille des particules de LFP joue un rôle essentiel dans les performances des batteries. L'analyse par diffraction laser, illustrée par le Bettersizer 2600, est un outil précieux pour contrôler la DSP dans l'industrie des batteries au lithium. Cependant, pour les matériaux LFP présentant des défis uniques en matière de dispersion, la mise en œuvre d'une procédure de prédispersion optimisée, telle que la méthode d'ultrasonication décrite ici, s'avère essentielle. Cette étude démontre l'efficacité de cette approche, en mettant en évidence sa capacité à réaliser des mesures PSD stables, fiables et reproductibles, permettant ainsi aux chercheurs et aux ingénieurs d'optimiser les performances des batteries LFP.
À propos de l'auteur
 | Weichen Gan 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) |  |
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