Test di durezza dei singoli particolati degli elettrodi della batteria

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La durezza dei materiali in polvere utilizzati per fabbricare gli elettrodi delle batterie è un parametro importante nel determinare la durata della batteria. I materiali degli elettrodi particolati sono soggetti a stress significativi durante la fabbricazione delle celle. Durante l'uso, la carica e la scarica ciclica della batteria inducono stress meccanici nei materiali degli elettrodi, che possono avere un impatto significativo sulla stabilità a lungo termine. Recentemente, i ricercatori hanno dimostrato una correlazione tra la durezza delle particelle e le prestazioni del ciclo dei materiali catodici stratificati delle batterie agli ioni di litio1.

Questo articolo descrive un nuovo strumento e una tecnica di microcompressione per determinare la durezza delle singole particelle utilizzando la compressione monoassiale controllata. Vengono forniti brevi esempi della tecnica utilizzata per caratterizzare e confrontare la durezza dei materiali anodici delle batterie. Molti esempi più approfonditi sono forniti nei riferimenti elencati.

Un'immagine di un tester di microcompressione e lo schema del test sono mostrati nella Figura 1.

Il sistema controllato da PC è composto dai seguenti componenti: un'unità ottica di imaging del campione 500X montata in alto con micrometro e display PC, una piastra di compressione inferiore montata su un tavolino XY di precisione, un'unità di caricamento della forza elettromagnetica con un intervallo di forza di prova di da 9,8 a 4.900 mN o 1.960 mN, un penetratore piatto per campioni di diamante da 50 o 500 micron di diametro e un rilevatore di spostamento di compressione del trasformatore differenziale. Una telecamera montata lateralmente consente di visualizzare e memorizzare le misurazioni su video.

Questo strumento può essere modificato per test a temperature elevate fino a 250 C. Inoltre, è disponibile anche un gruppo di misurazione della resistenza elettrica che consente di monitorare la resistenza elettrica delle particelle durante l'esperimento di compressione.

Figura 1: Sistema di microcompressione e vista schematica del test | Fonte immagine: Shimadzu

Per effettuare una misurazione, le particelle vengono disperse sulla piastra inferiore. Le singole particelle vengono riprese e selezionate per l'analisi utilizzando il sistema ottico con caricamento dall'alto (figure 2a e b). Vengono misurate le dimensioni delle particelle e viene calcolato il diametro medio geometrico. La particella viene posizionata per il test sotto il penetratore utilizzando la fase XY. Una forza di compressione viene applicata al provino a una velocità costante programmabile (figura 3) e la curva forza-spostamento viene acquisita e memorizzata.

Figura 2: 2a mostra materiale anodico di grafite disperso sulla piastra di compressione inferiore; 2b mostra una singola particella vista prima dell'analisi. | Fonte immagine: Shimadzu

Figura 3: Modello di carico della forza | Fonte immagine: Shimadzu

I test vengono generalmente condotti fino alla rottura del campione (figura 4) o fino all'osservazione di uno spostamento percentuale predefinito (figura 5). La resistenza alla deformazione o la durezza delle particelle può quindi essere calcolata mediante formule stabilite che mettono in relazione la forza applicata, lo spostamento e le dimensioni iniziali delle singole particelle2,3. Possono essere condotte anche misurazioni del carico ciclico.

Figura 4: Curva di spostamento della forza che mostra chiaramente il punto di rottura delle particelle | Fonte immagine: Shimadzu

Figura 5: Curva di spostamento della forza senza punto di rottura chiaro | Fonte immagine: Shimadzu

I seguenti esempi illustrano la tecnica applicata ai materiali delle batterie:

In questo esempio viene confrontata la resistenza alla compressione delle particelle LiMn2O4 e LiCoO2. I campioni sono stati compressi utilizzando una forza di prova di 50 mN ad una velocità di carico di 2,2 mN/sec. La curva di spostamento della forza e i valori di resistenza alla frattura calcolati sono mostrati nella Figura 6 e nella Tabella 1.

La porzione orizzontale del grafico della forza spostamento indica chiaramente la forza alla frattura. La resistenza alla frattura è stata calcolata utilizzando l'equazione 1 che si basa su JIS R1639-5, Metodo di prova delle proprietà dei granuli ceramici fini, Parte 5 resistenza alla compressione di un singolo granulo2. I valori mostrati rappresentano una media di dieci misurazioni di singole particelle. Una chiara differenza può essere vista nella resistenza dei due materiali.