Explorando a distribuição do tamanho das partículas no ânodo composto de silício/carbono para baterias de íon-lítio por difração a laser

Os ânodos compostos de silício/carbono estão ganhando atenção na próxima geração de baterias de íon-lítio devido à sua capacidade de aproveitar uma capacidade específica significativa. Este estudo se concentra na maximização da densidade de energia desses ânodos, monitorando a distribuição do tamanho das partículas para obter uma densidade substancial e uma área de superfície específica adequada. A combinação do Bettersizer 2600 e do BT-80N é fundamental para fornecer medições precisas e altamente repetíveis da distribuição do tamanho de partículas, projetadas especificamente para análises que utilizam dispersantes orgânicos.

 

                        

Produtos	Bettersizer 2600
Indústria	Bateria e energia
Amostra	Ânodo composto de silício/carbono
Tipo de medição	Tamanho da partícula, distribuição do tamanho da partícula
Tecnologia de medição	Difração a laser

 

 

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• Introdução
 
• Projeto de medição
 
• Resultados e discussão
 
• Conclusão
 

 

 

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Introdução

 

Com o desenvolvimento vigoroso de novos dispositivos de armazenamento de energia (dispositivos portáteis e veículos elétricos), há uma demanda crescente por alta densidade de energia no componente principal, as baterias de energia. Avanços recentes na tecnologia de baterias, especialmente em materiais para cátodos e ânodos, têm sido fundamentais para obter melhorias na densidade de energia da bateria. Notavelmente, os ânodos baseados em silício se destacam nesse contexto, oferecendo maior capacidade específica e maior sustentabilidade em comparação com os ânodos convencionais. A utilização do silício, um material abundante e amplamente disponível, tem o potencial de reduzir a dependência de recursos naturais finitos. Isso posiciona os ânodos à base de silício como a escolha ideal para a próxima geração de baterias de energia, prometendo um futuro sustentável e eficiente para soluções de armazenamento de energia.

 

 

Os materiais compostos de silício/carbono, um subconjunto de ânodos à base de silício, apresentam alta capacidade específica para novas baterias de energia. A estrutura geral desse novo ânodo é mostrada na Figura 1. No entanto, eles enfrentam desafios, como ciclo de vida reduzido e baixa condutividade. Para resolver esses problemas, devem ser considerados os materiais ativos projetados com uma área de superfície específica adequada e uma densidade de batida significativa. Na otimização de microesferas compostas de silício/carbono, os parâmetros críticos, como tamanho e distribuição de partículas, influenciam significativamente a densidade de batida e a área de superfície específica, afetando, assim, a vida útil do ciclo, a condutividade e a densidade de energia da bateria. Esta nota de aplicação fornece uma inspeção precisa sobre a distribuição do tamanho das partículas de um lote de amostras compostas de silício/carbono, oferecendo informações valiosas para materiais de ânodo com uniformidade excepcional.

 

 

Figura 1. Modelo estrutural de ânodos microdimensionados de silício/carbono

 

 

Projeto de medição

 

Ao medir o tamanho da partícula do material do ânodo usando um analisador de tamanho de partícula a laser, a seleção de um solvente dispersante adequado é importante para evitar a agregação de partículas e garantir uma dispersão mais uniforme no líquido. Em geral, um bom dispersante para análise de tamanho de partícula não deve reagir com as amostras, proporcionar uma dispersão consistente e contribuir para a estabilidade da suspensão, etc. O isopropanol é um solvente orgânico comumente usado em amostras à base de silício porque sua baixa tensão superficial contribui para a dispersão uniforme das partículas. A unidade de dispersão úmida anticorrosiva BT-80N foi projetada para medições de tamanho de partículas com solventes orgânicos como meio, o que é adequado para solventes orgânicos comuns, por exemplo:

 

 

Tabela 1. Solventes orgânicos comuns usados no BT-80N

                      

Etanol	Metanol	Isopropanol	Éter
Tolueno	Xileno	Diclorometano	Octano
Acetato de etila	Acetona	Oleato de metila	Solventes NMP

 

 

Levando em conta os requisitos do teste de amostra e do dispersante, este estudo utiliza o Bettersizer 2600 junto com o BT-80N para garantir medições precisas e confiáveis do tamanho das partículas. Os materiais envolvidos nesse experimento incluem cinco tipos de ânodos compostos de silício/carbono dispersos em isopropanol.

 

Bettersizer 2600 com BT-80N

 

 

 

Resultados e discussão

 

Análise da distribuição do tamanho das partículas

 

O tamanho e a distribuição de partículas das amostras de ânodo à base de silício são medidos usando o Bettersizer 2600 e o BT80N. A Figura 2 exibe a distribuição de tamanho de partícula para as 5 amostras, enquanto a Tabela 2 apresenta os valores de tamanho típicos correspondentes. O valor do tamanho médio (D50) das cinco amostras é de 5,808 μm, 6,130 μm, 7,228 μm, 11,010 μm e 26,690 μm, respectivamente. O D50 de uma distribuição de tamanho de partícula refere-se ao tamanho de partícula correspondente à frequência cumulativa de 50%, que é um parâmetro típico para avaliar o processo de carga-descarga, a vida útil do ciclo e a estabilidade do material do ânodo.

 

 

Figura 2. Distribuição de tamanho de partícula do ânodo de silício/carbono

 

 

Tabela 2. Valores típicos de tamanho de partícula do ânodo de silício/carbono

                                              

Amostra	D10 (μm)	D50 (μm)	D90 (μm)	Faixa
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 mencionado anteriormente, a área de superfície específica está relacionada à vida útil do ciclo da bateria de íons de lítio e, essencialmente, a área de superfície específica é inversamente proporcional ao tamanho da partícula. De acordo com os resultados, o Bettersizer 2600 é excelente no monitoramento preciso do tamanho e da distribuição de partículas desses ânodos de tamanho micro preparados sob o mesmo processo. Essas medições não apenas confirmam sua excepcional capacidade de resolução, mas também validam sua eficácia na otimização da área de superfície específica e no aumento da vida útil do ciclo.

 

 

Além disso, a distribuição desigual do tamanho das partículas em ânodos compostos de silício/carbono pode causar uma densidade insuficiente e, portanto, baixa densidade de energia. Portanto, concentrar-se em uma distribuição de tamanho de partícula relativamente uniforme é fundamental para ânodos baseados em silício. De acordo com a análise, a amostra C demonstra a distribuição de tamanho de partícula mais estreita, sugerindo a distribuição de partícula mais uniforme entre essas cinco amostras.

 

 

Avaliação da repetibilidade

 

Na avaliação da repetibilidade da amostra C, a Figura 3 ilustra os resultados consistentes obtidos em várias medições realizadas pelo Bettersizer 2600 equipado com o BT-80N. Os valores de repetibilidade para D10, D50 e D90, a saber, 0,11%, 0,03% e 0,09%, respectivamente, estão significativamente abaixo dos limites estipulados na ISO 13320. Portanto, a utilização do Bettersizer 2600 para a análise de distribuição de tamanho de partículas de ânodos à base de silício mostra uma repetibilidade notável.

 

 

Figura 3. Teste de repetibilidade da amostra C

 

 

Conclusão

 

Para promover as vantagens do composto de silício/carbono e aumentar sua densidade de energia, é essencial concentrar-se no tamanho e na distribuição das partículas desse material. A demonstração do Bettersizer 2600, juntamente com o BT80N, destaca sua eficácia em fornecer resultados precisos e consistentes para materiais de ânodo de tamanho micro. Com base nesse estudo, o D50 das cinco amostras é de 5,808 μm, 6,130 μm, 7,228 μm, 11,010 μm e 26,690 μm, respectivamente. Além disso, os valores de repetibilidade da amostra C estão bem abaixo das limitações especificadas na norma ISO 13320. Isso ressalta seus recursos avançados na medição do tamanho de partículas com solventes orgânicos, fornecendo informações valiosas sobre a otimização de ânodos baseados em silício para soluções de densidade de energia aprimorada e desempenho de bateria.

 

 

Sobre o autor

        

Feiqing Shen Engenheiro de Aplicação da Bettersize Instruments

 

 

        

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