Test de dureté des particules d'électrodes de batterie individuelles

Source de l'image d'arrière-plan : Andreas Sartison / iStock / Getty Images Plus via Getty Images.

La dureté des matériaux en poudre utilisés pour fabriquer les électrodes de batterie est un paramètre important pour déterminer la durée de vie de la batterie. Les matériaux d'électrode particulaires sont soumis à des contraintes importantes lors de la fabrication de la cellule. Pendant l'utilisation, la charge et la décharge cycliques de la batterie induisent des contraintes mécaniques dans les matériaux d'électrode, ce qui peut avoir un impact significatif sur la stabilité à long terme. Récemment, des chercheurs ont montré une corrélation entre la dureté des particules et les performances de cycle des matériaux de cathode de batterie lithium-ion en couches1.

Cet article décrit un nouvel instrument de micro-compression et une technique pour déterminer la dureté de particules individuelles à l'aide d'une compression uniaxiale contrôlée. De brefs exemples de la technique utilisée pour caractériser et comparer la dureté des matériaux d'anode de batterie sont fournis. Plusieurs exemples plus approfondis sont fournis dans les références répertoriées.

Une image d'un testeur de micro-compression et un schéma du test sont présentés à la figure 1.

Le système contrôlé par PC comprend les composants suivants : une unité d'imagerie d'échantillon optique 500X montée sur le dessus avec micromètre et écran PC, un plateau de compression inférieur monté sur une platine XY de précision, une unité de chargement de force électromagnétique avec une plage de force d'essai de 9,8 à 4 900 mN ou 1 960 mN, un indenteur d'échantillon à diamant plat de 50 ou 500 microns de diamètre et un détecteur de déplacement de compression à transformateur différentiel. Une caméra latérale permet de visualiser et de stocker les mesures sur vidéo.

Cet instrument peut être modifié pour des essais à température élevée jusqu'à 250 C. De plus, un ensemble de mesure de résistance électrique est également disponible permettant de surveiller la résistance électrique des particules pendant l'expérience de compression.

Figure 1: Système de micro-compression et vue schématique du test | Source de l'image : Shimadzu

Pour effectuer une mesure, des particules sont dispersées sur le plateau inférieur. Les particules individuelles sont imagées et sélectionnées pour analyse à l'aide du système optique à chargement par le haut (figures 2a et b). Les dimensions des particules sont mesurées et un diamètre moyen géométrique est calculé. La particule est positionnée pour être testée sous le pénétrateur à l'aide de la platine XY. Une force de compression est appliquée à l'éprouvette à une vitesse programmable constante (figure 3) et la courbe force/déplacement est acquise et stockée.

Figure 2: 2a montre un matériau d'anode en graphite dispersé sur le plateau de compression inférieur; 2b montre une particule individuelle visualisée avant l'analyse. | Source de l'image : Shimadzu

Figure 3: Modèle de chargement de force | Source de l'image : Shimadzu

Les tests sont généralement effectués jusqu'à ce que l'échantillon se brise (figure 4) ou jusqu'à ce qu'un pourcentage de déplacement prédéfini soit observé (figure 5). La résistance à la déformation ou la dureté des particules peut alors être calculée à partir de formules établies qui relient la force appliquée, le déplacement et les dimensions initiales des particules individuelles2,3. Des mesures de chargement cyclique peuvent également être effectuées.

Illustration 4 : Courbe de déplacement de force montrant un point de rupture clair des particules | Source de l'image : Shimadzu

Illustration 5 : Courbe de déplacement de force sans point de rupture clair | Source de l'image : Shimadzu

Les exemples suivants illustrent la technique appliquée aux matériaux de batterie :

Dans cet exemple, la résistance à la compression des particules LiMn2O4 et LiCoO2 est comparée. Les échantillons ont été comprimés en utilisant une force d'essai de 50 mN à une vitesse de chargement de 2,2 mN/sec. La courbe force-déplacement et les valeurs de résistance à la rupture calculées sont présentées à la figure 6 et au tableau 1.

La partie horizontale du graphique de déplacement de force indique clairement la force à la rupture. La résistance à la rupture a été calculée à l'aide de l'équation 1 qui est basée sur JIS R1639-5, Méthode d'essai des propriétés des granulés céramiques fins, Partie 5 résistance à la compression d'un seul granule2. Les valeurs indiquées représentent une moyenne de dix mesures de particules individuelles. Une nette différence peut être observée dans la résistance des deux matériaux.

Équation (1) : Cs = 2,48 P/πd2

Où : Cs : Résistance (MPa) P : Force de rupture (N) D : Diamètre des particules (mm)

Illustration 6 : Courbe force-déplacement moyenne comparant la résistance des particules de LiMn2O4 et LiCoO2 | Source de l'image : Shimadzu

Tableau 1:Résultats des tests de compression des particules LiMn2O4 et LiCoO2

Dans cet exemple, la résistance à la déformation en compression de trois matériaux d'anode en graphite différents est comparée. Les échantillons ont été comprimés à une force d'essai de 10 mN à une vitesse de chargement de 0,2331 mN/sec.

Lors de la mesure de matériaux mous tels que le graphite, le point de contact initial du pénétrateur peut être difficile à déterminer et une force de rupture claire peut ne pas être discernable sur le graphique de déplacement de force. Dans ces cas, la résistance à la déformation peut être calculée à l'aide de l'équation (2) basée sur la méthode d'essai JIS Z 8844 de rupture et de déformation d'une particule fine3.

Équation 2 σ10% = F10% /AA = πd2/4

Où : σ10 % Résistance à la déformation pour un déplacement de compression de 10 % (Pa) F10 % Force pour un déplacement de compression de 10 % de la taille des particules (N) A Surface représentative (m2) d Taille des particules (m)

La figure 7 montre le graphique de déplacement de force moyenne pour trois matériaux en graphite. La taille moyenne et la résistance à la déformation pour une compression de 10 % sont présentées dans le tableau 2. Les valeurs représentent une moyenne de dix mesures de particules individuelles. La vidéo des tests de particules peut être corrélée à la courbe de déplacement de la force. La figure 8 montre une série temporelle d'images tirées d'une vidéo de la compression d'une particule individuelle. Les graphiques associés montrent la force et le déplacement pour chaque image.

Figure 7 : Courbe force-déplacement moyenne comparant trois matériaux d'anode en graphite | Source de l'image : Shimadzu

Tableau 2:Résistance à la déformation moyenne de la compression de l'anode en graphite σ10% résultats

Figure 8: Images de la vidéo prises lors du test de compression en corrélation avec la courbe force-déplacement. | Source de l'image : Shimadzu

Ces exemples fournissent un guide de base pour les tests de micro-compression des particules de matériau de batterie. Pour des exemples plus détaillés de la façon dont les techniques décrites ci-dessus ont été utilisées pour caractériser les matériaux de batterie, veuillez consulter les références fournies 1-7. Un testeur de micro-compression est également utile pour caractériser de nombreux autres matériaux industriels importants. Un exemple peut être trouvé dans Hellsten et al8 qui documente une caractérisation détaillée du matériau de support de catalyseur en Si02 micro-sphérique.

Les références:

Christophe Macey , chef du groupe commercial Science des matériaux, Shimadzu Scientific Instruments, Columbia, MD. Pour plus d'informations, appelez le (410) 910-0859 ou envoyez un courriel à [email protected].