Analyse des facteurs influençant la mesure de la densité de compactage de la poudre - Méthode de pressage
L'industrie des batteries lithium-ion est l'une des directions importantes affectant le développement de l'économie nationale à l'heure actuelle. Dans le processus de conception et de recherche des batteries lithium-ion, la densité de compactage est l'un des indicateurs clés affectant les performances de la batterie. Le niveau de densité de compactage est étroitement lié à la taille des particules et à la distribution du matériau principal principal, la poudre d'électrode positive et négative, et est étroitement lié à la capacité, à la résistance interne de la batterie et à la durée de vie de la batterie. L'étude de la densité de compactage comprend deux directions de densité d'électrode et de densité de poudre. Pour l'évaluation de la densité de compactage, la méthode traditionnelle consiste à évaluer la densité de l'électrode, qui doit être testée à travers les étapes de dosage de la suspension de rouleau d'enrobage pressage-cuisson-pesée mesure d'épaisseur-calcul,
Le cycle de détection complet de cette méthode et méthode d'évaluation de la densité d'électrode est long, et l'efficacité de détection est faible, et le processus de production de pièces polaires causera également certains dommages au personnel et à l'environnement. Par rapport à la méthode traditionnelle, davantage de chercheurs choisiront une méthode efficace et sûre de mesure directe de la densité de compactage de la poudre d'électrode positive et négative pour y parvenir. Une matrice ronde avec un diamètre intérieur fixe est utilisée, combinée à un mécanisme de pression stable et efficace pour comprimer le matériau en poudre, et un système de mesure d'épaisseur de haute précision est utilisé pour mesurer l'épaisseur du matériau, réalisant ainsi une mesure stable et efficace de la densité compactée.
Figure 1. Schéma de principe de la relation entre la densité des électrodes, la résistance interne et la capacité de la batterie
L'évaluation de la densité de compactage de la poudre dans le processus de conception et de fabrication actuel des batteries lithium-ion est devenue un indicateur sur lequel de nombreuses usines de matériaux et équipementiers se concentrent, et la stabilité de la densité de compactage de la poudre est particulièrement importante, la mesure de la densité de compactage de la poudre est en fait le rapport de la masse totale du comprimé au volume total après compression. Dans le processus de mesure réel, la main-d'œuvre, la machine, le matériau, la méthode et l'environnement sont tous des indicateurs clés qui affectent la mesure, ce document combine principalement la mesure de la densité de compactage sous différentes méthodes de pression pour évaluer l'impact de la différence dans la méthode de mesure sur le résultats de test.
1. Méthode d'essai et paramètres
1.1 Sélectionnez respectivement les trois matériaux NCM, LFP et Graphite et effectuez des tests comparatifs de trois manières : expérience à point unique, expérience de changement de pression et expérience de décompression.
1.2 Utilisez PRCD3100 (IEST) pour tester la densité de compactage du matériau, et l'équipement de test est illustré à la figure 2. Paramètres de test : test en un seul point : test en un point de 50 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa respectivement, maintien de la pression pendant 10 s ; expérience de pression variable : plage de pression 10-200 MPa, intervalle 10 MPa, pression de maintien 10 s ; expérience de décompression : 10-200 MPa, intervalle de 10 MPa, relâchez la pression à 3 MPa, maintenez la pression pendant 10 s.
Figure 2. (a) Apparence du PRCD3100 ; (b) Structure du PRCD3100
2. Analyse des résultats
Dans les travaux de recherche sur les batteries lithium-ion, la surveillance de la densité de compactage des matériaux en poudre a été utilisée comme indicateur clé de l'évaluation des matériaux et a fait l'objet d'une attention particulière dans de nombreux aspects tels que la recherche et le développement sur la modification des matériaux, les lots de production de matériaux évaluation de la stabilité des différences et surveillance des matériaux entrants. Sa stabilité dans la mesure réelle a attiré une large attention. Cette expérience évalue principalement l'influence de la méthode de pressurisation sur la détermination de la densité compactée en comparant les trois modes de test de pressurisation en un seul point, de changement de pression et de décompression. La figure 3 est un diagramme schématique des changements de pression lorsqu'ils sont pressurisés à 200 MPa sous différentes méthodes de pressurisation, dans laquelle l'expérience de pressurisation en un seul point consiste à pressuriser directement l'échantillon à 200 MPa et à le maintenir stable pendant 10 s, et à prendre les résultats de 10 s pour analyse ; l'expérience de pression variable consiste à définir les paramètres de test de 10-200MPa et à maintenir la pression pendant 10 s via le terminal logiciel, et à prendre les données de maintien de la pression pendant 10 s à chaque point de pression pour l'analyse des résultats ; L'expérience de décompression consiste à définir 10-200MPa du côté logiciel, à relâcher la pression à 3MPa, à maintenir la pression pendant 10 s et à prendre les données de la pression de décompression correspondant à chaque point de pression à la 10e seconde pour l'analyse des résultats. Comme le montre la figure, il existe des différences évidentes dans le processus de pressage et le temps des échantillons selon les différentes méthodes de pressage.
Figure 3. Diagramme schématique du changement de pression jusqu'à 200 MPa sous différentes méthodes de pression.
La figure 4 est un tableau de comparaison des résultats des tests de densité de compactage de NCM, LFP et Graphite à quatre points de pression de 50MPa, 100MPa, 150MPa et 200MPa sous différentes méthodes de pression, à partir des résultats de comparaison, il existe des différences dans le point unique densité de compactage, densité de compactage à pression variable et densité de compactage libérant la pression à chaque point de pression, ce qui est principalement dû aux différentes méthodes de pressurisation. On peut voir sur la figure 3 que sous différentes méthodes de pressurisation, il existe des différences évidentes dans le mode de pressurisation et le temps des matériaux en poudre dans le processus de mesure réel, et le processus de pressurisation de la poudre est extrêmement compliqué. Dans l'étape initiale de pression, la porosité entre les poudres représente une proportion relativement élevée. Au fur et à mesure que la pression progresse, les particules de poudre se réarrangent et glissent, et forment finalement un état d'accumulation relativement dense, et la porosité entre les particules diminue ; Au fur et à mesure que la pression augmente, les particules de poudre elles-mêmes subiront une déformation élastique et la porosité entre les particules ne changera pas beaucoup, mais la taille des pores diminuera; Au fur et à mesure que la pression augmente, certaines poudres subiront une déformation plastique irréversible et la taille des pores diminuera encore. Dans le même temps, certains systèmes fragiles peuvent également être brisés et la taille des pores diminuera de manière plus significative et la porosité entre les particules ne changera pas beaucoup, mais la taille des pores diminuera ; Au fur et à mesure que la pression augmente, certaines poudres subiront une déformation plastique irréversible et la taille des pores diminuera encore. Dans le même temps, certains systèmes fragiles peuvent également être brisés et la taille des pores diminuera de manière plus significative et la porosité entre les particules ne changera pas beaucoup, mais la taille des pores diminuera ; Au fur et à mesure que la pression augmente, certaines poudres subiront une déformation plastique irréversible et la taille des pores diminuera encore. Dans le même temps, certains systèmes fragiles peuvent également être brisés et la taille des pores diminuera de manière plus significative[2].
En comparant les résultats des tests de pressurisation en un seul point et de pression variable, il y a peu de différence sous basse pression, et la différence apparaît progressivement avec l'augmentation de la pression. La raison principale est qu'il existe des différences dans les changements de force de poudre sous les deux méthodes de pressurisation. Samsung a étudié l'utilisation d'un processus de pressage en deux étapes lors du roulage de la pièce polaire. Le premier processus de laminage doux réoriente en douceur le graphite perpendiculairement à la force de pression, réduisant ainsi les contraintes et les dommages mécaniques dans le graphite et favorisant une distribution uniforme des pores dans toute l'électrode. La densité cible des électrodes est ajustée par le deuxième laminage ultérieur. Les électrodes préparées par le processus de laminage en deux étapes présentent un comportement de retour élastique et de gonflement considérablement réduit. Donc,[3].
Le résultat de la comparaison de la densité de compactage au déchargement est évidemment inférieur à celui des deux autres méthodes de pressurisation. Ceci est principalement dû au fait que le processus de pressurisation de la poudre est limité par le double facteur de déformation élastique et de déformation plastique. Lorsque la grande pression chargée sur l'extrémité de la poudre est convertie en une petite pression, la déformation élastique de la poudre elle-même surmontera la petite pression et le rebond, et l'épaisseur de la tablette de poudre aura également des changements évidents, ce qui entraînera des différences dans le résultats. Dans le processus de test et d'évaluation réel de la densité compactée, lorsque chaque laboratoire doit évaluer les résultats de performance des échantillons, il est nécessaire de clarifier d'abord les différences dans les méthodes de pressurisation pendant le processus de test,
Figure 4. Comparaison des résultats des tests de densité de compactage de NCM, LFP et Graphite sous différentes méthodes de pression
Le test de compactage de la poudre peut prédire les performances de compactage de l'électrode, de sorte que le processus de laminage de l'électrode puisse être connu. Des chercheurs de l'Université technique de Braunschweig en Allemagne ont établi un modèle de processus de laminage, qui a révélé la relation entre la densité de revêtement ρcet la charge de compactage qL [5].
Parmi eux, ρc,maxet γcpeut être obtenu en ajustant les données expérimentales, qui représentent respectivement la densité de compactage maximale et la résistance au compactage du revêtement pouvant être atteintes par le revêtement. Ces paramètres d'ajustement peuvent être obtenus par des expériences de compactage de poudre. Par exemple, la densité de compactage maximale ρc,maxqui peut être obtenue par le revêtement est la valeur limite à laquelle la densité de compactage de la poudre n'augmentera fondamentalement pas dans l'expérience d'essai à pression variable. La résistance au compactage γcpeut également être obtenu en ajustant les résultats de densité de compactage sous une série de pressions différentes par formule. De cette manière, pour une poudre spécifique, le modèle de processus de densité de compactage peut être obtenu, de sorte que le test de roulement d'électrode peut être connu.
3. Résumé
L'évaluation stable et efficace de la densité compactée est devenue le centre d'intérêt de l'industrie actuelle des batteries au lithium, et il existe encore de nombreuses différences dans les méthodes d'évaluation des différents laboratoires de l'industrie, dans le processus d'évaluation et de comparaison réel, il est nécessaire de mener analyse systématique à partir de plusieurs dimensions telles que les principes de test, les différences de méthode et les facteurs d'influence pour garantir la rationalité et l'efficacité des résultats. Cet article combine principalement les différences dans les résultats de mesure de la densité de compactage sous différentes méthodes de compression pour clarifier l'impact de la méthode de compression sur la mesure de la densité de compactage, et il est précisé que la méthode de compression est l'indicateur clé de l'impact de la mesure de la densité de compactage. .
4. Références bibliographiques
【1】BKKA, ASA, AHN, et al. Préparation de la cartographie de la résistance interne pour optimiser l'épaisseur et la densité des électrodes à l'aide d'une cellule symétrique pour les batteries et condensateurs lithium-ion hautes performances[J]. Journal des sources d'alimentation, 2018, 396:207 - 212.
【2】Yang Shaobin, Liang Zheng. Principe et application du processus de fabrication des batteries lithium-ion.
【3】Amélioration du comportement de gonflement des batteries Li ion par ingénierie microstructurale de l'anode. Journal de chimie industrielle et d'ingénierie 71 (2019) 270-276.
【4】Liang Huamei, Zeng Yong, Huang Shijian, et al. Recherche sur les conditions de test de densité de compactage des matériaux de cathode de batterie au lithium [J]. Industrie chimique du Guangdong, 2021, 48(19):3.
【5】Meyer C, Bockholt H, Haselrieder W, et al. Caractérisation du procédé de calandrage pour le compactage d'électrodes pour batteries lithium-ion[J]. Journal de la technologie de traitement des matériaux.2017