Análisis del tamaño de partículas del material de la batería

Visión general

La tecnología de baterías está mejorando, respondiendo a la demanda de más dispositivos portátil y al deseo de un mejor almacenamiento de energía durante períodos más largos entre la carga y el cambio de baterías. Mejorar el rendimiento requiere un mayor control de los materiales utilizados y sus propiedades físicas, incluida la distribución del tamaño de las partículas. En este estudio, se utilizó el analizador de tamaño de partículas de difracción láser LA-960 para realizar mediciones de distribución de partículas en diversos materiales utilizados en la creación de baterías de ion de litio.

Las baterías que contienen litio incluyen baterías desechables (primarias) de litio, baterías recargables (secundarias) de ion de litio y baterías recargables de titanato de litio. Las baterías desechables de litio tienen litio metálico o compuestos de litio como ánodo. Las baterías recargables de ion de litio utilizan un compuesto de litio intercalado como material del electrodo. Una batería de titanio de litio es una batería de iones de litio modificada que utiliza nanocristales de titanato de litio en la superficie del ánodo.

A continuación se muestra una lista parcial de materiales de cátodo y ánodo utilizados en baterías de litio:

Materiales catódicos

Óxido de cobalto de litio _{LiCoO 2}
_{LiNiO 2} de óxido de níquel de litio
Óxido de manganeso de litio _{LiMn 2} O ₄
LiFePO ₄ de hierro litio fosfato

Materiales del ánodo

Carbono C
Litio Li
Titanato de litio Li ₂ _{TiO 3}

La distribución del tamaño de partículas (PSD) de los materiales utilizados para fabricar estas baterías se prueba tanto en entornos de investigación y desarrollo como en control de calidad para la aceptación del producto, ya que normalmente existe una especificación PSD para el material. El tamaño de las partículas influye tanto en la capacidad como en la eficiencia de Coulomb. Reducir la PSD aumentará la superficie específica, cambiando características importantes de la batería, pero esto también modifica el tamaño de los huecos entre partículas de electrodo, reduciendo la capacidad de la batería.

Experimental

Óxido de cobalto de litio

El óxido de cobalto de litio (_{LiCoO 2}) ha servido como material catódico arquetípico para las baterías de iones de litio secundarias desde los años 80. Se analizaron cinco lotes diferentes de polvo de óxido de litio cobalto para usar como material catódico en el analizador de tamaño de partículas LA-960. El polvo se dispersó en agua que contenía 0,2% de hexametafosfato de sodio. Esta era una prueba estándar de aprobado/fallo para determinar si el material cumplía con la especificación de tamaño de partícula del material de entrada. Los resultados de los diferentes lotes se muestran en la Figura 1 y la Tabla 1.

Figura 1: Cinco lotes de polvo de _{LiCoO 2}

Óxido de manganeso de litio

Durante el desarrollo del método para dispersar óxido de manganeso de litio (LiMn ₂ O ₄) se investigó el efecto de la aplicación de ultrasonidos. El polvo se dispersó en agua DI que contenía 0,2% de hexametafosfato de sodio. La muestra se analizó sin ecografía, y luego se realizó 1, 3 y 5 minutos de ecografía. Los resultados de estas mediciones se muestran en la Figura y la Tabla 2. Se determinó que el tiempo óptimo para la ecografía era de 3 minutos.

Figura 2: El efecto de la ecografía en LiMn ₂ O ₄

Una vez determinado que se usarían ultrasonidos de 3 minutos en este método, se repitió en la misma muestra cada día durante 5 días para comprobar su reproducibilidad. Estos resultados se muestran en la Figura y la Tabla 3.

Figura 3 y Tabla 3: Pruebas de validación de métodos en varios días de LiMn ₂ O ₄

Titanato de litio

El titanato de litio (Li ₂ _{TiO 3}) se utiliza a menudo como material de ánodo para baterías de titanato de litio que se recargan rápidamente. Durante el desarrollo del método para dispersar el polvo de titanato de litio en líquidos se investigó el efecto de la aplicación de ultrasonidos. El polvo se dispersó en agua DI que contenía 0,2% de hexametafosfato de sodio. La muestra se analizó sin ecografía y con 3 minutos de ecografía. Los resultados de estas mediciones se muestran en la Figura 4. Esta dispersión de esta muestra no mejoró con la adición de la ecografía, por lo que no se utilizó en el método.

Figura 4: Li ₂ _{TiO 3} con ecografía (verde) y sin (azul)

Luego se compararon dos muestras de titanato de litio de diferentes proveedores midiendo la PSD de ambos productos en el LA-960. Los polvos se dispersaron en agua DI que contenía 0,2% de ácido fosfórico y 0,2% de hexametafosfato sódico. La comparación de la Muestra A (media = 6,33 μm) con la Muestra B (media = 16,7 μm) se muestra en la Figura 5.

Figura 5_{: Li 2} _TiO 3 muestra A (rojo) vs. Muestra B (verde)

Reproducibilidad: Óxido de manganeso de litio/Titanato de litio

Se analizaron dos muestras (_{LiMn 2} O ₄ y Li ₂ _{TiO 3}) diez veces para cuantificar la reproducibilidad del LA-960. Los resultados se muestran en la Figura 6.

Figura 6: Reproducibilidad más de 10 resultados para LiMn ₂ O ₄ y Li ₂ _{TiO 3}

Tenga en cuenta que los valores de COV son muy bajos, lo que indica un buen método y el alto nivel de rendimiento del analizador de tamaño de partículas LA-960.

Acuerdo de instrumento a instrumento

Las empresas con múltiples sedes suelen necesitar comparar datos de los diferentes laboratorios. Se analizaron muestras de óxido de manganeso de litio y titanato de litio en dos sistemas diferentes de LA-960 para cuantificar el acuerdo entre el instrumento y el instrumento. Los resultados de la comparación se muestran a continuación en la Figura 7.

Figura 7: Acuerdo instrumento a instrumento para _{LiMn 2} O ₄ y Li ₂ _{TiO 3} en dos sistemas diferentes LA-960

Conclusiones

El LA-960 demostró tener una excepcional reproducibilidad y concordancia entre sistemas al medir el PSD de varios materiales de batería. Este nivel de rendimiento ha sido demostrado por muchos fabricantes de materiales para baterías, como los compuestos de litio mostrados en esta nota de aplicación, lo que ha llevado a múltiples ventas a proveedores y usuarios en todo el mundo.

Agradecimiento: Muchas gracias al Centro de Aplicaciones HORIBA en Kioto por generar los excelentes datos mostrados en esta nota de solicitud.