Otimize a dispersão de materiais de bateria para um melhor teste de tamanho de partícula por difração a laser
2024-03-08Application Note
A medição precisa da distribuição do tamanho das partículas (PSD) de fosfato de ferro e lítio (LFP) é fundamental para otimizar o desempenho da bateria. Este estudo explora os desafios associados à medição da PSD do LFP e propõe uma solução personalizada por meio da pré-dispersão com ultrassom.
As configurações ideais de pré-dispersão, identificadas por meio de uma série de testes, envolvem ultrassom a 510 W por 1 minuto. Essa abordagem produz um PSD estável com um valor D100 de 10,27 μm e apresenta excelente repetibilidade, em conformidade com os padrões ISO 13320. Essa abordagem permite que pesquisadores e engenheiros otimizem o desempenho da bateria LFP e acelerem o desenvolvimento de soluções de energia sustentável.
| Produtos | Bettersizer 2600 |
| Setor | Bateria e energia |
| Amostra | Fosfato de ferro e lítio (cátodo, bateria) |
| Tipo de medição | Tamanho da partícula |
| Tecnologia de medição | Difração a laser |
Ir para uma seção:
- Introdução
- Projeto de medição
- Manutenção da integridade da medição: Como lidar com PSD anormal e tendências de obscurecimento
- Superando a dispersão não saturada com pré-tratamento personalizado
- Conclusão
Introdução
A crescente revolução dos veículos elétricos (VEs) depende do desenvolvimento de soluções energéticas sustentáveis e de alto desempenho. No entanto, as limitações de alcance continuam a representar um desafio significativo. Embora as baterias de íon-lítio ofereçam um caminho promissor, as baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP), elogiadas por sua excepcional segurança e viabilidade econômica, enfrentam uma desvantagem: menor densidade de energia gravimétrica em comparação com suas contrapartes, como óxido de lítio níquel manganês cobalto (NMC) ou óxidos de lítio níquel cobalto alumínio (NCA). Isso se traduz em menor autonomia de condução e tempos de carregamento prolongados, impedindo a adoção generalizada de baterias LFP em veículos elétricos.
Felizmente, a chave está no ajuste meticuloso do tamanho das partículas dos materiais da bateria de LFP. O tamanho das partículas de LFP dentro da bateria afeta profundamente o desempenho das baterias. O exame do mecanismo operacional das baterias de LFP revela que o tamanho das partículas desempenha um papel crucial nos seguintes aspectos:
1. As partículas menores do cátodo de LFP têm uma área de superfície maior em comparação com seu volume. Uma área de superfície maior permite que mais íons de lítio participem da reação com as partículas do cátodo. Assim, mais íons de lítio podem ser armazenados e liberados, tornando a bateria capaz de reter mais energia sem aumentar o tamanho da bateria.
2. As partículas menores de LFP formam uma estrutura porosa mais fina entre elas, permitindo que o eletrólito penetre mais facilmente na estrutura do cátodo, facilitando um melhor transporte iônico e permitindo que a bateria carregue e descarregue rapidamente.
Em suma, com um tamanho de material de cátodo de LFP mais fino, os pesquisadores e engenheiros de desenvolvimento podem liberar uma densidade de energia aprimorada, taxas de carregamento aceleradas e alcance estendido, tudo isso preservando a segurança inerente e a relação custo-benefício que tornam as baterias de LFP tão atraentes para o setor de veículos elétricos.
Entretanto, as coisas não são tão simples como 'quanto menor o tamanho da partícula, melhor o desempenho da bateria'. Como as partículas menores de LFP são mais propensas à degradação mecânica durante o ciclo (carga e descarga), elas reduzem a vida útil da bateria. Além disso, embora as partículas menores ofereçam uma estrutura porosa para permitir que os eletrólitos penetrem mais facilmente, um espaço relativamente maior entre as partículas de LFP também reduz a densidade geral de energia da bateria. Portanto, encontrar o tamanho ideal de partícula é fundamental para equilibrar os benefícios da alta área de superfície com a necessidade de uma boa vida útil e de utilizar a densidade de energia. Essa otimização depende do status específico do material do cátodo e da aplicação pretendida da bateria.
Para resolver o dilema de desempenho das partículas de LFP de tamanho único, a solução ideal pode estar em uma distribuição mista de tamanho de partículas (PSD). Ao combinar estrategicamente partículas de tamanhos variados, é possível obter facilmente um equilíbrio entre as vantagens oferecidas por cada fração de tamanho individual. As partículas menores garantem uma área de superfície suficiente para a interação entre íons de lítio, enquanto as maiores ajudam a maximizar a densidade de empacotamento e a estabilidade estrutural. Assim, para obter um desempenho superior da bateria, a medição e a análise precisas dos PSDs complexos dos materiais de LFP estão se tornando de importância vital para os fornecedores de baterias de lítio de LFP, independentemente de serem componentes de LFP de tamanho único ou misturas distribuídas complexas.
Projeto de medição
O controle ideal da PSD apresenta desafios significativos. Em comparação com os métodos tradicionais, como o peneiramento, os analisadores de tamanho de partícula por difração a laser oferecem uma solução potente e precisa para caracterizar com exatidão a intrincada distribuição de tamanho de partícula nos materiais dos eletrodos de LFP. Essa técnica avançada utiliza os princípios da difração de luz para medir o tamanho das partículas em uma ampla faixa de tamanho, fornecendo aos pesquisadores dados altamente precisos e reproduzíveis.
Para atender à demanda por baterias de lítio LFP de alto desempenho, a Bettersize Instruments oferece o Bettersizer 2600 para medições precisas de PSD no setor. Esse instrumento otimiza o método de difração a laser, medindo com precisão o tamanho das partículas na faixa de 0,02 a 2600 μm. Seu design óptico exclusivo permite versatilidade para vários estados de amostra, desde pó seco até lama úmida, com alternância eficiente entre as unidades de dispersão e alimentação.
Neste estudo, as partículas de LFP sintetizadas de tamanho mícron são tomadas como amostras em um estado de pó seco. As amostras de LFP foram dispersas em água devido à sua insolubilidade. Considerando a maximização da confiabilidade dos dados, uma unidade de dispersão automática de grande volume BT-802 é usada com a unidade principal do Bettersizer 2600 para fazer a medição de PSD. Como as partículas de LFP têm uma densidade grande em comparação com a água, para evitar a sedimentação, a velocidade de agitação é definida para 1800 rpm.
Bettersizer 2600 com BT-802
Manutenção da integridade da medição: Como lidar com PSD anormal e tendências de obscurecimento
Para garantir a confiabilidade dos resultados de PSD, uma série de testes é feita com a mesma amostra de LFP e o mesmo método de amostragem, mas com diferentes tempos de agitação/circulação. Com o tempo prolongado de agitação e circulação da suspensão da amostra, o resultado da PSD mostrou uma tendência de diminuição, enquanto o valor de obscurecimento estava aumentando, conforme mostrado na figura 1 a seguir.
Figura 1. Tendências anormais de PSD e obscurecimento
Na maioria dos casos, é mais provável que seja observada uma tendência típica: a agitação prolongada levou a uma PSD estável e a um valor de obscurecimento consistente. No entanto, as amostras de LFP apresentaram um comportamento contraintuitivo: a PSD diminuiu com a agitação mais longa, enquanto o obscurecimento aumentou. Além disso, a tendência observada nas amostras de LFP sugere um cenário mais complexo: a 'diferenciação' da PSD indica um processo duplo (Figura 2)
- Dispersão: Uma população principal de partículas está se fragmentando em partículas menores, mesmo após 10 minutos de agitação. Isso sugere que as forças de agitação são insuficientes para quebrar completamente os agregados, levando a uma redução gradual no tamanho médio das partículas.
- Aglomeração: Um número menor de partículas está se aglomerando em partículas maiores, contribuindo para o aumento do obscurecimento.
Figura 2. O fenômeno de 'diferenciação' da PSD
Esse fenômeno aparentemente paradoxal aponta para um estado instável na suspensão da amostra, também conhecido como dispersão insaturada, que destaca as limitações dos métodos tradicionais de dispersão por agitação para amostras de LFP. As forças de cisalhamento geradas pelo mecanismo de agitação são insuficientes para superar as forças coesivas inerentes que mantêm as partículas de LFP unidas, levando a uma dispersão incompleta e ao processo de 'diferenciação' observado.
Superando a dispersão insaturada com pré-tratamento personalizado
Para resolver esse problema causado pela dispersão insaturada, é necessária mais energia de dispersão para ajudar as partículas aglomeradas a se dispersarem em um curto espaço de tempo. A dispersão em dois estágios, incluindo um estágio de pré-dispersão e o estágio de dispersão durante a medição, pode ser aplicada aqui. Nesse caso, uma suspensão mais espessa foi preparada pela mistura de pós secos de LFP com água deionizada, e o estágio de pré-dispersão foi feito com a suspensão mais espessa.
Aproveitamento da energia ultrassônica para uma dispersão eficaz
Para superar as limitações dos métodos tradicionais de agitação, a ultrassonografia é comprovadamente uma etapa eficaz de pré-dispersão. Essa técnica utiliza ondas sonoras de alta frequência para gerar forças de cisalhamento intensas, quebrando efetivamente as partículas de LFP aglomeradas e promovendo uma suspensão mais uniforme. A suspensão mais espessa preparada foi submetida a ultrassom e depois diluída com o BT-802 antes das medições reais de PSD. Cada teste foi feito imediatamente após a adição de amostras no BT-802 para formar uma suspensão estável.
Encontrando a estratégia ideal de pré-dispersão:
Essa investigação envolveu uma série de testes que exploraram diferentes combinações de potência e duração de ultr assom. Os resultados (Tabela 1) mostram um quadro claro: energia de dispersão suficiente é crucial para obter um PSD estável. Essa energia pode ser fornecida por meio do aumento da potência de ultrassom ou da extensão do tempo de tratamento.
Tabela 1. Valor típico de PSD de diferentes combinações de potência de ultrassom e duração
| Potência (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 |
Alcançando um equilíbrio: 510 W e 1 minuto para obter os melhores resultados
Buscando um equilíbrio entre potência e eficiência, 510 W por 1 minuto podem ser facilmente identificados como a configuração ideal de pré-dispersão para a amostra de LFP sob investigação. Essa configuração dispersou efetivamente as partículas, levando a um PSD estável com um valor D100 de 10,27 μm.
Validação por meio de testes de repetibilidade:
Para garantir a confiabilidade dessa abordagem de pré-dispersão, foram realizadas seis medições repetidas. Os resultados, apresentados na Figura 3, demonstram excelente repetibilidade. Os desvios padrão dos valores D10, D50 e D90 foram notavelmente baixos (0,12%, 0,05% e 0,09%, respectivamente), demonstrando total conformidade com os requisitos da ISO 13320.
Figura 3. Teste de repetibilidade do procedimento de medição PSD
Conclusão
O controle preciso da distribuição do tamanho das partículas de LFP desempenha um papel fundamental no desempenho da bateria. A análise de difração a laser, exemplificada pelo Bettersizer 2600, oferece uma ferramenta valiosa para monitorar a PSD no setor de baterias de lítio. No entanto, para materiais de LFP com desafios de dispersão exclusivos, a implementação de um procedimento de pré-dispersão otimizado, como o método de ultrassom descrito aqui, é essencial. Este estudo demonstra a eficácia dessa abordagem, mostrando sua capacidade de obter medições de PSD estáveis, confiáveis e repetíveis, capacitando pesquisadores e engenheiros a otimizar o desempenho da bateria de LFP.
Sobre o autor
 | Weichen Gan Engenheiro de aplicativos da Bettersize Instruments |
| Desvende os segredos das baterias de íons de lítio de alto desempenho com a coleção de SETE notas de aplicação de baterias. (pdf) |  |
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