Análise do tamanho das partículas do material da bateria

Visão geral

A tecnologia de baterias está em constante aprimoramento, acompanhando a demanda por dispositivos mais portáteis e o desejo por maior capacidade de armazenamento de energia entre as recargas e trocas de baterias. A melhoria do desempenho exige maior controle dos materiais utilizados e de suas propriedades físicas, incluindo a distribuição do tamanho das partículas. Neste estudo, o analisador de tamanho de partículas por difração a laser LA-960 foi utilizado para realizar medições da distribuição do tamanho de partículas em diversos materiais usados na fabricação de baterias de íon-lítio.

As baterias que contêm lítio incluem baterias de lítio descartáveis (primárias), baterias de íon-lítio recarregáveis (secundárias) e baterias de titanato de lítio recarregáveis. As baterias de lítio descartáveis têm lítio metálico ou compostos de lítio como ânodo. As baterias de íon-lítio recarregáveis usam um composto de lítio intercalado como material do eletrodo. Uma bateria de titanato de lítio é uma bateria de íon-lítio modificada que utiliza nanocristais de titanato de lítio na superfície do ânodo.

Segue abaixo uma lista parcial dos materiais de cátodo e ânodo usados em baterias de lítio:

Materiais do cátodo

Óxido de lítio-cobalto _LiCoO₂
Óxido de lítio e níquel _LiNiO₂
_Óxido de lítio e manganês _LiMn₂O₄
Fosfato de ferro-lítio _LiFePO₄

Materiais de ânodo

Carbono C
Lítio Li
Titanato _de lítio _Li₂TiO₃

A distribuição do tamanho das partículas (PSD) dos materiais usados na fabricação dessas baterias é testada tanto em ambientes de P&D quanto no controle de qualidade para aceitação do produto, visto que normalmente existe uma especificação de PSD para o material. O tamanho das partículas influencia tanto a capacidade quanto a eficiência coulombiana. Reduzir a PSD aumenta a área superficial específica, alterando características importantes da bateria, mas também altera o tamanho dos vazios entre as partículas do eletrodo, reduzindo a capacidade da bateria.

Experimental

Óxido de lítio-cobalto

O óxido de lítio-cobalto (_LiCoO₂) tem sido o material catódico arquetípico para baterias secundárias de íon-lítio desde a década de 1980. Cinco lotes diferentes de pó de óxido de lítio-cobalto, destinados ao uso como material catódico, foram analisados no analisador de tamanho de partículas LA-960. O pó foi disperso em água contendo 0,2% de hexametafosfato de sódio. Este foi um teste padrão de aprovação/reprovação para determinar se o material atendia à especificação de tamanho de partícula do material recebido. Os resultados dos diferentes lotes são mostrados na Figura 1 e na Tabela 1.

Figura 1: Cinco lotes de pó de _LiCoO₂

Óxido de lítio e manganês

Durante o desenvolvimento do método de dispersão de óxido de lítio e manganês (_LiMn₂O₄₎, investigou-se o efeito da aplicação de ultrassom. O pó foi disperso em água deionizada contendo 0,2% de hexametafosfato de sódio. A amostra foi analisada sem ultrassom e, em seguida, com 1, 3 e 5 minutos de ultrassom. Os resultados dessas medições são mostrados na Figura 2 e na Tabela 2. O tempo ideal de ultrassom foi determinado como sendo de 3 minutos.

Figura ₂: O efeito do ultrassom no _LiMn₂O₄

Após se determinar que 3 minutos de ultrassom seriam utilizados neste método, o procedimento foi repetido na mesma amostra diariamente, durante 5 dias, para testar a reprodutibilidade. Os resultados são apresentados na Figura e na Tabela 3.

Figura 3 e Tabela ₃: Testes de validação do método em vários dias de _LiMn₂O₄

Titanato de lítio

O titanato de lítio (_Li₂TiO₃) é frequentemente utilizado como material anódico em baterias de titanato de lítio de recarga rápida. Durante o desenvolvimento de um método para dispersão de pó de titanato de lítio em líquido_, investigou-se o efeito da aplicação de ultrassom. O pó foi disperso em água deionizada contendo 0,2% de hexametafosfato de sódio. A amostra foi analisada sem ultrassom e com 3 minutos de ultrassom. Os resultados dessas medições são mostrados na Figura 4. A dispersão da amostra não melhorou com a adição de ultrassom, portanto, este método não foi utilizado.

Figura ₄: _Li₂TiO₃ com (verde) e sem (azul) ultrassom

Duas amostras de titanato de lítio de diferentes fornecedores foram comparadas através da medição da distribuição granulométrica (PSD) de ambos os produtos no analisador LA-960. Os pós foram dispersos em água deionizada contendo 0,2% de ácido fosfórico e 0,2% de hexametafosfato de sódio. A comparação entre a Amostra A (média = 6,33 µm) e a Amostra B (média = 16,7 µm) é mostrada na Figura 5.

Figura 5: Amostra A _de _Li₂TiO₃ (vermelho) vs. Amostra B (verde)

Reprodutibilidade: Óxido de lítio e manganês/titanato de lítio

Duas amostras (_LiMn₂O₄ e _Li₂TiO₃) foram analisadas dez vezes para quantificar a reprodutibilidade do LA-₉₆₀. Os resultados são mostrados na Figura ₆.

_Figura ₆: Reprodutibilidade em 10 resultados para _LiMn₂O₄ e _Li₂TiO₃

Note-se que os valores de COV são muito baixos, indicando um bom método e o alto nível de desempenho do analisador de tamanho de partículas LA-960.

Acordo de instrumento para instrumento

Empresas com várias unidades frequentemente precisam comparar dados de diferentes laboratórios. Amostras de óxido de lítio e manganês e titanato de lítio foram analisadas em dois sistemas LA-960 diferentes para quantificar a concordância entre os instrumentos. Os resultados da comparação são mostrados na Figura 7 abaixo.

_Figura 7: Concordância entre instrumentos para _LiMn₂O₄ e _Li₂TiO₃ em dois sistemas LA-960 diferentes_.

Conclusões

O LA-960 demonstrou reprodutibilidade e concordância excepcionais entre sistemas na medição da densidade espectral de potência (PSD) de diversos materiais de baterias. Esse nível de desempenho foi comprovado para muitos fabricantes de materiais para baterias, como os compostos de lítio apresentados nesta nota de aplicação, resultando em múltiplas vendas para fornecedores e usuários em todo o mundo.

Agradecimento: Agradecemos ao Centro de Aplicações HORIBA em Kyoto pela geração dos excelentes dados apresentados nesta nota de aplicação.