Analyse de la compression et de la conductivité de différentes distributions granulométriques pour les matériaux LCO
Les matières premières des batteries lithium-ion comprennent principalement les matériaux de cathode, les matériaux de cathode, la collecte de fluide, l'électrolyte et le diaphragme. Les matériaux d'électrodes positives et négatives sont généralement des matériaux en poudre de qualité micrométrique, parmi lesquels les matériaux en poudre de cathode de batterie lithium-ion courants sont l'oxyde de lithium-cobalt en couches, le phosphate de fer au lithium à structure olivine, la structure en oxyde de manganèse au lithium spinelle et le ternaire en couches nickel-cobalt-manganèse matériaux (ci-après dénommés NCM). Où, le cas échéant, oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2, LCO) occupe une position dominante dans les batteries électroniques basées sur la classe 3C (ordinateur, communication et grand public), qui présente les avantages d'une densité d'énergie élevée, d'une plate-forme haute tension, d'une décharge stable et d'un processus de production simple. À l'heure actuelle, la demande de produits électroniques portables légers et intelligents depuis plus longtemps a favorisé le développement des batteries LCO et encore amélioré la densité d'énergie. Comme le montre la figure 1, la feuille de route de développement des batteries lithium-cobalt-acide montre.
Figure 1. Feuille de route pour le développement de cellules complètes LCO-Graphite【1】
Le processus de production de batteries au lithium-ion dans le processus de production de plaques polaires est le lien le plus important, la pression du rouleau de tôle polaire est également une section de processus importante dans le processus de production de tôle polaire, la pression du rouleau de tôle polaire est généralement disposée après le processus de revêtement et de séchage, avant le processus de découpe du film, Après l'entrée de la feuille polaire dans la presse à rouleaux, Sous l'action de la force, Flux, réarrangement et enrobage des particules actives dans la feuille polaire, L'écart entre les particules est modifié, Le processus de pressage des rouleaux de la feuille polaire est le processus de réarrangement et de compactage de la poudre, Ce document est principalement basé sur quatre types différents de matériaux en poudre L CO, Tester la résistivité, la densité de compactage et les propriétés de compression de la poudre sous différentes pressions, En combinaison avec des tests SEM, La taille des particules,la morphologie, la densité et les propriétés de compression des matériaux en poudre L CO ont été analysées.
1. Méthode d'essai
1.1 Test de morphologie SEM des quatre matériaux.
1.2 La conductivité, la densité de compactage et les performances de compression sont testées par PRCD3100 (IEST) pour les quatre matériaux LCO. L'équipement de test est tel qu'illustré à la figure 2.
Paramètres de test : plage de pression appliquée de 10 à 200 MPa, intervalle de 20 MPa, maintien de la pression pendant 10 s ;
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Figure 2. (a) Diagramme d'apparence du PRCD3100 ; (b) Diagramme de structure du PRCD3100
2. Résultats des tests
2.1 Résultats des tests SEM
Les quatre matériaux en poudre L CO ont été testés sans pression à l'aide de SEM, la figure 3 montre les résultats des tests SEM pour quatre matériaux : L CO-1, L CO-2, L CO-3 et L CO-4, il peut on peut voir sur la figure que la distribution et la taille des particules des quatre matériaux sont évidemment différentes, Parmi eux, L CO-1 contient des échantillons avec plusieurs tailles de grains dans la plage d'environ 30 m à 5 m, L CO-2 contient de la poudre dans la plage d'environ 15 m-5 m, L'échantillon de L CO-3 contenait de la poudre dans la plage d'environ 45 m-10 m, L CO-4 est principalement une petite taille de particules d'environ 5 m ; La différence de distribution granulométrique affecte directement l'effet de remplissage de la poudre lors de la compression. Elle est étroitement liée à la densité de compactage, à la conductivité électronique et aux propriétés de compression entre les matériaux.
Figure 3 . La topographie SEM des quatre matériaux LCO
2.2 Résultats des tests de performances de compression
Les performances de compression du matériau en poudre sont liées à la forme, à la taille et à la distribution des particules. Sous l'effet de pression, la déformation globale de la poudre est la principale déformation irréversible ; la déformation élastique des particules et la contrainte. Lorsque la pression dépasse la limite d'élasticité du matériau pulvérulent, il s'agit également d'une déformation irréversible. En fait, le processus de compression des particules de poudre est multigravité, et le stress est également un processus de changement complet.
Tableau 1. Résumé des données sur les variables de forme pour les quatre matériaux LCO
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Figure 4 Courbes de contrainte et de déformation lors de la décompression sous pression des quatre matériaux LCO
Dans cette expérience, lorsque la pression atteint 200MP a, la pression a été progressivement déchargée pour obtenir les courbes de contrainte et de déformation des quatre matériaux L CO, comme le montre la figure 4. La déformation réversible est également calculée comme la différence entre la déformation maximale ( montré dans la partie ❶) et la déformation irréversible (montré dans la partie ❷), Les données spécifiques sont montrées dans le tableau 1, On peut voir dans le tableau que sa taille variable de forme réversible, L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3, une analyse comparative combinée aux résultats des tests SEM a révélé que, pour la distribution granulométrique des quatre matériaux, la proportion de particules de petite taille a également montré une tendance de L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3, L'analyse complète peut être que pour le même matériau, Lorsque la taille des particules est petite, le matériau a plus de surface de contact, Plus vulnérable à la force de déformation réversible élastique ; Pour mieux identifier cette possibilité, Analysé du point de vue du volume d'échantillonnage et de plusieurs expériences avec différents appareils, La tendance à la déformation réversible des quatre matériaux était L CO-4>LCO-2>LCO-1>LCO-3; Pour le contraste de la déformation maximale et de la déformation irréversible des quatre matériaux, différentes tailles d'échantillonnage et conditions d'essai varieront, cela peut être lié aux différences d'échantillonnage et aux différences d'effet de remplissage.
3 2. Résultats des tests de densité de compactage et de conductivité électrique
La recherche sur les matériaux en poudre montre que pour le même matériau, une taille de particule unique, une géométrie de poudre similaire, une grande taille de particule conduira à une petite zone de contact, une petite interaction entre les particules (enchevêtrement mécanique et frottement), une bonne mobilité, l'accumulation la plus facile à former. État, donc densité de remplissage, petite porosité, sous pression, l'espace entre les particules occupe le volume est petit, il est plus facile d'obtenir une densité de compactage relativement grande. Cependant, la poudre réelle a une distribution granulométrique continue réelle, ce qui affecte directement l'effet de remplissage. Des échantillons de poudre avec une distribution granulométrique différente peuvent s'écouler et se réorganiser sous pression, et la poudre avec une grande taille de particules peut former plus de vides, tandis que de petites particules peuvent être remplies dans l'espace, ce qui entraîne une grande densité de compactage et un faible taux de vide.
La figure 5 montre les résultats de la détermination de la densité de compactage des quatre matériaux L CO, où la taille de la densité de compactage contraste avec L CO-3>LCO> 1>LCO-2>LCO-4. Combiné avec les résultats du test SEM trouvé, Comparé à l'échantillon L CO-4 avec une taille de particule unique et des particules plus petites, Les trois autres échantillons avec une taille de particule relativement grande et une distribution granulométrique multiple ont tous un compactage relativement élevé densité, Cela indique que la force d'interaction entre les petites particules est relativement grande, Réarrangement d'écoulement difficile des particules, Forme une porosité plus élevée, Faible densité de compactage ; Comparaison des trois matériaux : L CO-1, L CO-2 et L CO-3, Taille des particules (L CO-3>LCO-1>LCO-2) et sa différence de distribution peuvent également être l'un des facteurs clés de la différence de densité de compactage, Les Flders à large granulométrie sont plus susceptibles de former un tassement serré, Les petites poudres remplissent l'espace entre les grosses particules, La densité de compactage finale est plus haut. Si la déformation des particules elles-mêmes n'est pas considérée en premier, le processus de compactage des particules de poudre est le processus dans lequel la poudre s'accumule le plus densément à partir de l'état lâche sous pression.
Selon le principe de garnissage le plus compact, lorsque les particules sphériques de rayon R se tassent de la manière la plus compacte, toutes les particules entrent en contact les unes avec les autres, la porosité théorique formée entre les particules est de 25,94 % et les pores entre les particules primaires de rayon R peut remplir le rayon des particules secondaires est de 0,414R. Une fois tous les pores remplis de particules secondaires, la porosité est de 20,70 %. Le rayon maximal des particules pouvant être rechargées dans le pore est de 0,225R, les particules cubiques, 0,177R et 0,116R, correspondant à une porosité théorique de 19 %, 15,8 % et 14,9 %.
Figure 5 Résultats des tests de densité de compactage pour les quatre matériaux LCO
Pour la conductivité électronique du matériau en poudre, plus de connectivité et de contact entre les particules de poudre, pour la plupart des matériaux L CO, et la connexion entre les particules de poudre et le contact avec la taille des particules et la distribution granulométrique sont également liées, comme mentionné dans l'analyse de la densité de compactage, pour le les échantillons de poudre de même taille de particules préfèrent le contact ponctuel, la surface de contact globale, les particules plus petites sont en contact de surface ; le même effet de remplissage, peut également affecter le changement de conductivité électrique.
La figure 6 montre les résultats des tests de conductivité électrique de quatre matériaux en poudre L CO, Les résultats de la comparaison de résistivité ont montré que L CO-1 a la meilleure conductivité, Le L CO-3 a la pire conductivité électrique, L CO-2 et L CO-2 sous faible pression de L CO-2 et L CO-4, L CO-4 < L CO-2 sous haute pression, En excluant l'influence des différences de conductivité électrique des particules de poudre de différentes granulométries, Cette différence peut être principalement due à la distribution granulométrique différente, dans l'ensemble, large distribution granulométrique des échantillons conducteurs LCO-1, peut atteindre un grand degré de remplissage, le contact global entre les particules de l'échantillon était meilleur, meilleure conductivité électrique.
Cependant, pour les échantillons LCO-3 les plus conducteurs avec la pire conductivité électrique, ils ont une grande taille globale de particules et une distribution granulométrique étroite, et le contact global avec les particules est médiocre, entraînant ainsi une mauvaise conductivité électronique. De même, pour les échantillons L CO-2 et LCO-4, sous basse pression, principalement en raison du contact entre les particules de l'échantillon, la taille globale des échantillons LCO-4 a montré une bonne conductivité, et avec l'augmentation de la pression, les particules LCO-2 avoir un effet de remplissage, réaliser de petites particules entre de grosses particules et la conductivité est supérieure à L CO-4, mais la différence globale n'est pas grande.
Figure 6 Courbes de test de conductivité électrique des quatre matériaux LCO
Résumer
Dans cet article, PRCD3100 teste la conductivité, la densité de compactage et les performances de compression de quatre types de matériaux L CO, combinés à la différence de distribution granulométrique SEM des matériaux, a évalué au préalable le lien possible entre la différence de distribution granulométrique et la conductivité, le compactage et la compression des matériaux. performance, fournit une nouvelle idée et une nouvelle direction pour l'analyse et l'évaluation des différences matérielles.
Documents de référence
[1] Kai W , Jw A , Yx A , et al.Progrès récents et développements historiques des matériaux d'oxyde de lithium-cobalt haute tension pour les batteries Li-ion rechargeables[J].Journal of Power Sources, 460.
[2] Park M , Zhang X , Chung M , et al. Une revue des phénomènes de conduction dans les batteries Li-ion [J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(24):7904-7929.
[3] Yang Shaobin, Liang Zheng. Principe du processus de fabrication et application de la batterie lithium-ion.