Исследование распределения частиц по размерам в композитном аноде кремний/углерод для литий-ионных батарей с помощью лазерной дифракции

Композитные аноды из кремния и углерода привлекают все большее внимание в следующем поколении литий-ионных батарей благодаря своей способности использовать значительную удельную емкость. Данное исследование посвящено максимизации энергетической плотности этих анодов путем контроля распределения частиц по размерам для достижения значительной плотности и надлежащей удельной поверхности. Комбинация Bettersizer 2600 и BT-80N помогает обеспечить точные и высоковоспроизводимые измерения распределения частиц по размерам, специально разработанные для анализов с использованием органических диспергаторов.

 

                        

Продукт	Bettersizer 2600
Промышленность	Аккумуляторы и энергия
Образец	Кремниево-углеродный композитный анод
Тип измерения	Размер частиц, распределение частиц по размерам
Технология измерения	Лазерная дифракция

 

 

Перейти к разделу:

 

 
• Введение
 
• Дизайн измерений
 
• Результат и обсуждение
 
• Заключение
 

 

 

---

 

Введение

 

С активным развитием новых устройств хранения энергии (портативных устройств и электромобилей) растет спрос на высокую плотность энергии в основном компоненте - силовых батареях. Последние достижения в области аккумуляторных технологий, особенно в материалах для катодов и анодов, сыграли решающую роль в повышении плотности энергии аккумуляторов. В этом контексте особенно выделяются аноды на основе кремния, обеспечивающие более высокую удельную емкость и более высокую устойчивость по сравнению с обычными анодами. Использование кремния, обильного и широко доступного материала, позволяет снизить зависимость от ограниченных природных ресурсов. Таким образом, аноды на основе кремния являются оптимальным выбором для следующего поколения энергетических батарей, что обещает устойчивое и эффективное будущее для решений по хранению энергии.

 

 

Композитные материалы кремний/углерод, являющиеся подмножеством анодов на основе кремния, демонстрируют высокую удельную емкость для новых энергетических батарей. Общая структура этого нового анода показана на рисунке 1. Тем не менее, они сталкиваются с такими проблемами, как короткий срок службы и низкая проводимость. Для решения этих проблем необходимо рассмотреть активные материалы с соответствующей удельной поверхностью и значительной плотностью прилегания. При оптимизации композитных микросфер из кремния и углерода такие критические параметры, как размер и распределение частиц, значительно влияют на плотность прилипания и удельную площадь поверхности, тем самым влияя на срок службы, проводимость и плотность энергии батареи. В данном приложении представлен точный контроль распределения частиц по размерам одной партии образцов композита кремний/углерод, что позволяет получить ценные сведения о материалах для анодов с исключительной однородностью.

 

 

Рисунок 1. Структурная модель микроразмерных анодов из кремния/углерода

 

 

Дизайн измерений

 

При измерении размера частиц анодного материала с помощью лазерного анализатора размеров частиц важно выбрать подходящий диспергирующий растворитель, чтобы предотвратить агрегацию частиц и обеспечить более равномерную дисперсию в жидкости. Как правило, хороший диспергатор для гранулометрического анализа не должен вступать в реакцию с образцами, обеспечивать равномерную дисперсию, способствовать стабильности суспензии и т.д. Изопропанол является широко используемым органическим растворителем для образцов на основе кремния, поскольку его низкое поверхностное натяжение способствует равномерному диспергированию частиц. Антикоррозионная установка для мокрого диспергирования BT-80N предназначена для измерения размера частиц с использованием органических растворителей в качестве среды, которая подходит для обычных органических растворителей, например:

 

 

Таблица 1. Распространенные органические растворители, используемые в BT-80N

                      

Этанол	Метанол	Изопропанол	Эфир
Толуол	Ксилол	Дихлорметан	Октан
Этилацетат	Ацетон	Метил олеат	Растворители NMP

 

 

Учитывая требования к тестированию образца и диспергатора, в данном исследовании использовался прибор Bettersizer 2600 вместе с BT-80N для обеспечения точных и надежных измерений размера частиц. Материалы, участвующие в этом эксперименте, включают пять типов композитных анодов кремний/углерод, диспергированных в изопропаноле.

 

Bettersizer 2600 с BT-80N

 

 

 

Результат и обсуждение

 

Анализ распределения частиц по размерам

 

Размер и распределение частиц в образцах анодов на основе кремния измерялись с помощью Bettersizer 2600 и BT80N. На рисунке 2 показано распределение частиц по размерам для 5 образцов, а в таблице 2 приведены соответствующие типичные значения размеров. Медианное значение размера (D50) для пяти образцов составляет 5,808 мкм, 6,130 мкм, 7,228 мкм, 11,010 мкм и 26,690 мкм, соответственно. D50 распределения частиц по размерам относится к размеру частиц, соответствующему кумулятивной частоте 50%, что является типичным параметром для оценки процесса заряда-разряда, срока службы и стабильности материала анода.

 

 

Рисунок 2. Распределение частиц по размерам кремниевого/углеродного анода

 

 

Таблица 2. Типичные значения размера частиц кремниевого/углеродного анода

                                              

Образец	D10 (мкм)	D50 (мкм)	D90 (мкм)	Размах
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

 

 

Как упоминалось ранее, удельная площадь поверхности связана со сроком службы литий-ионного аккумулятора, и, по сути, удельная площадь поверхности обратно пропорциональна размеру частиц. Согласно полученным результатам, прибор Bettersizer 2600 обеспечивает точный мониторинг размера и распределения частиц этих микроразмерных анодов, приготовленных по одному и тому же процессу. Эти измерения не только подтверждают исключительную разрешающую способность прибора, но и доказывают его эффективность в оптимизации удельной поверхности и продлении срока службы.

 

 

Более того, неравномерное распределение частиц по размерам в композитных анодах кремний/углерод может привести к недостаточной плотности прилива и, как следствие, к низкой плотности энергии. Поэтому для анодов на основе кремния очень важно обеспечить относительно равномерное распределение частиц по размерам. Согласно анализу, образец C демонстрирует самое узкое распределение частиц по размерам, что говорит о наиболее равномерном распределении частиц среди этих пяти образцов.

 

 

Оценка воспроизводимости

 

При оценке повторяемости образца C на рисунке 3 показаны стабильные результаты, полученные в результате многочисленных измерений, проведенных прибором Bettersizer 2600, оснащенным BT-80N. Значения повторяемости для D10, D50 и D90, а именно 0,11%, 0,03% и 0,09% соответственно, значительно ниже пределов, установленных ISO 13320. Таким образом, использование Bettersizer 2600 для анализа гранулометрического состава анодов на основе кремния демонстрирует отличную воспроизводимость.

 

 

Рисунок 3. Тест на воспроизводимость образца C

 

 

Заключение

 

Для продвижения преимуществ композита кремний/углерод и повышения его энергетической плотности важно обратить внимание на размер и распределение частиц этого материала. Демонстрация работы Bettersizer 2600 в сочетании с BT80N подчеркивает его эффективность в получении точных и последовательных результатов для анодных материалов микроразмеров. По результатам этого исследования D50 пяти образцов составляет 5,808 мкм, 6,130 мкм, 7,228 мкм, 11,010 мкм и 26,690 мкм, соответственно. Кроме того, значения повторяемости образца C значительно ниже пределов, указанных в стандарте ISO 13320. Это подчеркивает его передовые возможности в измерении размера частиц с помощью органических растворителей, что позволяет получить ценные сведения об оптимизации анодов на основе кремния для повышения плотности энергии и производительности батарей.

 

 

Об авторе

        

Фейцин Шен Инженер по применению @ Bettersize Instruments

 

 

        

Раскройте секреты высокопроизводительных литий-ионных батарей с помощью сборника из семи заметок по применению батарей. (pdf)   Получить копию сейчас