Caractérisation structurelle des composants de la batterie

Problématique / Besoin :

Les propriétés structurelles, telles que la surface, la taille des pores et la densité, des composants de batterie peuvent être caractérisées en utilisant une variété de techniques différentes. Des exemples de sorption de gaz, d'intrusion de mercure et de porométrie à écoulement capillaire pour des matériaux d'anode, de cathode et de séparateur, entre autres, sont discutés.

Les professionnels de la recherche et du développement dans l'industrie des batteries sont toujours à la recherche des technologies de batteries les plus efficaces et les plus sûres pour répondre aux besoins énergétiques de notre monde d'aujourd'hui et de demain. Afin d'optimiser leurs efforts de conception, les développeurs de batteries s'appuient sur une caractérisation précise des propriétés physiques des composants de batterie tels que l'anode, la cathode ou le séparateur. Les propriétés importantes qui guident la conception comprennent la surface, la taille des pores et le volume des pores, la porosité (% d'espace ouvert) et la densité. 

Méthode utilisée / Réponse apportée :

La surface spécifique

La surface spécifique est une propriété critique pour les matériaux d'anode, de cathode et même de séparateur. Les différences de surface affectent les variables de performance telles que la capacité, l'impédance, la capacité de taux de décharge et les taux de charge. Les écarts par rapport à la surface prévue peuvent également indiquer des impuretés ou une taille de particule indésirable pour les fabricants de composants. Les mesures de surface BET sont couramment utilisées la surface accessible des composants de la batterie jusqu'aux matériaux de très faible surface, même inférieure à 0,01 m2 / g, et sont mesurées à l'aide de techniques manométriques ou de physisorption en flux.

Taille et volume de pores

La détermination du volume des pores et de la taille des pores est également intéressante pour les matériaux de batterie. Par exemple, des changements dans la distribution de la taille des pores d'un matériau d'électrode pourraient indiquer des transformations de phase ou des changements structurels du matériau au cours de son utilisation pratique. Ces mesures peuvent également être utilisées pour déterminer la corrélation entre la température de compression et de recuit d'un matériau et la distribution de la taille des pores qui en résulte. Le volume des pores est également une propriété importante. Par exemple, dans un séparateur de batterie, ce volume doit être capable d'héberger une quantité suffisante d'électrolyte liquide pour une conductivité ionique efficace. La porosimétrie par intrusion de mercure et la sorption de gaz sont couramment utilisés pour évaluer ces propriétés. Le choix de la technique est dicté par la gamme de tailles de pores dans le matériau, la sorption de gaz étant utilisée pour les micropores (<2 nm) et les mésopores (2 à 50 nm) et l'intrusion de mercure étant utilisée pour les grands mésopores (> 5 nm) et les macropores (> 50 nm).

Taille et perméabilité des pores traversants

Pour les séparateurs de batterie, la distribution de taille des pore traversant (pore qui commence à une extrémité et se vide de l'autre) peut être plus importante pour une application donnée qu'une distribution de taille de pore totale. La caractérisation des pores traversants peut être effectuée à l'aide de la porométrie à écoulement capillaire. Des analyses de perméabilité peuvent également être effectuées afin de se faire une idée de la nature structurelle des pores. A titre d'exemple, un chemin tortueux aide à isoler les particules d'électrode positive du matériau l'électrode négative, mais augmente la résistance effective provoquée par le séparateur, réduisant ainsi l'efficacité et la durée de vie de la batterie. 

Densité

La capacité volumétrique est une propriété cruciale des appareils à batterie qui fonctionnent dans des espaces limités. Comprendre le volume occupé par le matériau d'électrode lui-même, ainsi que les espaces ouverts à l'intérieur de la matrice, souvent appelés porosité du matériau, est nécessaire pour prédire les performances. Les analyseurs de densité taraudés fournissent des informations de masse par volume, y compris les espaces à l'intérieur et entre les particules, des poudres utilisées pour fabriquer les composants d'électrode. La pycnométrie gazeuse est utilisée pour mesurer la densité réelle ou squelettique d'un matériau et exclut l'influence de tous les pores accessibles de l'extérieur de l'échantillon. Pour un échantillon de forme régulière, où les dimensions peuvent être mesurées, le % de porosité peut être calculé directement à partir des données de pycnométrie de gaz. Dans le cas de poudres ou d'échantillons de forme irrégulière, les mesures de volume et de densité par pycnométrie gazeue sont souvent combinées avec d'autres techniques telles que la sorption de gaz ou l'intrusion de mercure, qui peuvent donner informations sur le volume total des pores, afin de déterminer le % de porosité d'un matériau. 

Surface de l'anode et de la cathode 

Les matériaux d'anode en graphite et de cathode LiNiCoMnO2 ont été caractérisés en utilisant des mesures de sorption de gaz N2 à 77 K dans la plage de surface linéaire BET (P / P0 = 0,05-0,3). Les tracés de surface BET donnent une surface de 2,5 m2 / g pour l'anode et de 1,5 m2 / g pour la cathode. 

Surface et taille de pores du séparateur

Un séparateur de batterie composé de fluorure de polyvinylidine (PVDF) a été caractérisé en utilisant la porosimétrie par intrusion de mercure pour la taille et le volume des pores. La distribution de la taille des pores de l'intrusion de mercure représente la distribution de tous les grands méso et macropores dans le séparateur, qu'ils soient ou non traversants - les pores sont fermés à une extrémité. Des informations sur la porosité peuvent être obtenues en combinant le volume des pores intrus du mercure avec la densité squelettique des mesures de pycnométrie à l'hélium.

Pour déterminer quel sous-ensemble de la distribution totale de la taille des pores sont à travers les pores, des mesures de porométrie ont également été effectuée sur le séparateur. La taille moyenne des pores, 0,47 µm à la fois pour l'intrusion de mercure et la porométrie, et les distributions de taille des pores des deux techniques étaient presque comparables dans ce cas, indiquant que ce séparateur se compose principalement des pores traversants souhaités et efficaces. 

Support de carbone microporeux pour batterie Li / S

Non seulement les matériaux d'anode, de cathode et de séparateur peuvent être directement caractérisés par les techniques présentées, mais les supports dans les batteries Li / S (ou d'autres types) peuvent être caractérisés par sorption de gaz. Dans le cas d'un support de carbone microporeux, les pores peuvent être suffisamment petits ( <1 nm) pour justifier l'utilisation de l'adsorption de CO2 à 273 K pour le calcul de la distribution de la taille des pores. Par exemple, un isotherme de CO2 sur un support de carbone microporeux et sa distribution de taille de pore NLDFT correspondante et le volume de pore cumulé. Dans ce support particulier, seuls des pores inférieurs à 1 nm sont présents, la majorité étan inférieurs à 0,6 nm. Par conséquent, seules les molécules S2 peuvent être confinées dans les pores et les molécules S4-8 plus grosses sont exclues. 

Supercondensateur

Les matériaux de supercondensateur, tels que le graphène et les oxydes de graphène, peuvent également être caractérisés efficacement par adsoprtion de gaz. Dans notre exemple, un oxyde de graphène exfolié a été caractérisé en combinant l'adsorption de N2 (77 K), Ar (87 K) et CO2 (273 K) pour calculer la distribution complète de la taille des micro et mésopores. Dans cet exemple, les gaz N2 et CO2 sont nécessaires pour obtenir la distribution complète de la taille des pores, car le matériau contient des pores plus petits que ceux auxquels le N2 peut accéder, mais aussi plus grands que ceux auxquels le CO2 peut accéder. 

Conclusion

La caractérisation structurelle des matériaux de batterie, y compris les anodes, les cathodes, les séparateurs, les supports et les supercondensateurs, peut être réalisée en combinant des techniques telles que l'adsoprtion de gaz (pour l'analyse de la surface BET et de la taille des micro et mésopores), l'intrusion de mercure (pour les mésopores et détermination de la taille des macropores), la porométrie à écoulement capillaire (pour la distribution de la taille des pores à travers les pores) la pycnométrie (pour la détermination de la densité). Comprendre ces propriétés physiques importantes des composants de la batterie peut aider à la conception et à l'optimisation futures et à valider les composants dans les environnements d'assurance qualité et de contrôle de la qualité.