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Que vous travailliez avec des batteries lithium-ion, des batteries alcalines, des batteries au plomb, des piles à combustible, des MOF ou tout autre dispositif de stockage d’énergie, il existe des propriétés critiques des composants qui doivent être caractérisées pour des raisons de performance et de sécurité.
La Particle Testing Authority dispose des appareils et de l’expertise nécessaires pour vous aider à analyser les électrodes, les électrolytes, les séparateurs/liants, et même la qualité de l’interaction et des performances des différents composants après la fabrication.
Analyse des électrodes
Le développement des matériaux de cathode et d’anode est basé sur l’amélioration de la puissance et de la densité énergétique, ainsi que sur la stabilité thermique et chimique, afin d’améliorer la durée de vie des batteries et les cycles de charge.
La capacité théorique d’une batterie est déterminée par les matériaux utilisés. Dans le traitement des électrodes, la connaissance de la morphologie des particules — y compris la taille et la forme des particules, la densité de la poudre, la porosité et l’aire de surface — a un impact critique sur la fabrication et les caractéristiques de performance souhaitées de l’électrode.
Aire de surface
L’augmentation de l’aire de surface de l’électrode entraînera une amélioration de l’efficacité de la réaction électrochimique et facilitera l’échange d’ions entre l’électrode et l’électrolyte, en particulier dans l’anode, car une surface plus importante permet des chemins de diffusion courts pour les ions lithium entre les particules de graphite. Les matériaux à faible surface conviennent mieux pour améliorer les performances de cyclage de la pile, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie.
Une plus grande aire de surface présente certaines limites en raison de l’interaction de dégradation de l’électrolyte à la surface et de la perte de capacité qui en résulte, ainsi que de la stabilité thermique. Les nanoparticules sont très prometteuses pour augmenter l’aire de surface sans perte de capacité. Cela facilite les charges rapides, les taux de décharge plus efficaces et améliore la capacité de la batterie.
Taille, forme, répartition et tortuosité des pores
La taille, la forme et la tortuosité des pores des électrodes affecteront de manière significative les taux de transport des ions lithium à travers l’électrolyte retenu dans cette structure poreuse. La microstructure de l’électrode résultant du processus de fabrication a une influence directe sur la densité énergétique, la puissance, la durée de vie et la fiabilité de la pile lithium-ion.
Une meilleure compréhension de l’interconnexion des pores adjacents, des pores fermés et des canaux qui peuvent être créés au cours du processus de fabrication permet de garantir une interaction optimale entre l’électrolyte et l’électrode. La connaissance de la tortuosité d’une électrode poreuse et de l’interface avec l’électrolyte permet de déterminer si les limitations des performances de la cellule sont dues à sa microstructure.
Mesures de la porosité
La structure de la porosité de l’électrode a une influence directe sur le contact particule à particule entre la matière active et le diluant conducteur. En contrôlant la porosité, il est possible d’obtenir une conductivité intra-électrode plus élevée pour assurer un échange d’électrons adéquat ainsi qu’un espace vide suffisant pour l’accès à l’électrolyte/le transport des ions lithium (par exemple) pour l’intercalation de la cathode. Le blocage ou l’obstruction de la porosité pendant l’intercalation peut entraîner une perte de la capacité.
Densité
La densité de l’anode en graphite a un effet sur sa capacité à résister à la dégradation dans des conditions de charge et de décharge difficiles. Une densité de particules d’électrode anodique plus élevée diminue la porosité, ce qui entraîne une surface active plus faible de l’électrode. Cela réduit la surface de contact entre l’électrode et l’électrolyte.
La densité réelle/absolue et la densité d’enveloppe peuvent aider à déterminer les performances électrochimiques attribuées à la porosité disponible des électrodes pour l’intercalation. Une corrélation claire a été trouvée entre la capacité irréversible et le volume interne des pores.
La densité TAP est un indicateur important de la densité énergétique volumétrique. Une faible densité TAP se traduit par une faible densité énergétique volumétrique alors que l’inverse indique une forte densité volumétrique. Une densité de TAP plus élevée permet de réaliser des films d’électrode plus denses (plus de matière active par unité de volume) pour recouvrir l’électrode.
Taille/Forme des particules
La taille des particules influence la capacité, le cycle et l’efficacité de coulomb. La taille des particules aura un impact sur la quantité de diffusion à l’état solide des ions lithium qui s’intercalent à l’électrode. Les particules plus petites, notamment les nanoparticules, entraîneront des changements de volume plus faibles lors du cyclage. Cela permet de réduire les contraintes mécaniques, d’augmenter la dureté et la résistance à la rupture.
Il a été signalé qu’une large répartition granulométrique peut augmenter la densité d’énergie plus qu’une répartition mono-dispersée. Le contrôle et la personnalisation de la répartition granulométrique peuvent permettre de mettre à disposition un réglage personnalisé qui se traduira par une puissance élevée (mono-dispersée) ou une densité énergétique élevée (poly-dispersée).
La forme des particules affecte des propriétés telles que la densité de tassement, puisque les particules de forme sphérique se tassent plus densément que les particules fibreuses ou en flocons.
Évaluation du séparateur/du liant/de la membrane
Le séparateur ou la membrane permet le flux d’ions d’une électrode à l’autre tout en empêchant tout flux d’électrons – séparant essentiellement l’anode de la cathode.
Le séparateur type est composé de polyoléfines – généralement du polypropylène et/ou – ainsi que d’autres polymères, de céramiques et de mélanges céramique/polymère. Les séparateurs sont très poreux – généralement >40 % de porosité, d’une épaisseur d’environ 25 μm, et présentent une faible résistivité ionique. Les séparateurs en couches ou composites sont utilisés comme dispositifs de sécurité pour empêcher l’emballement thermique de la cellule.
Les matériaux liants sont utilisés pour maintenir les particules de matériau actif de l’électrode ensemble et en contact avec les collecteurs de courant, c’est-à-dire la feuille d’aluminium de la cathode ou la feuille de cuivre de l’anode.
Potentiel zêta
Pour mieux comprendre les mécanismes de transport de la membrane séparatrice, le potentiel zêta peut indiquer l’affinité de la membrane avec l’électrolyte. Cela peut permettre un réglage fin des performances de la batterie pour améliorer sa durée de vie.
La durée de vie du cycle est prolongée lorsque le séparateur présente une faible résistance électrolytique mais une perméabilité aqueuse élevée. Le potentiel zêta peut également fournir des informations nécessaires sur l’affinité des membranes avec les additifs électrolytiques.
Mesures de la porosité
La spécification du pourcentage de porosité est un paramètre important dans les critères d’acceptation du séparateur. Le séparateur doit avoir une densité de pores suffisante pour contenir l’électrolyte liquide qui favorise le mouvement ionique entre l’anode et la cathode. Une porosité plus élevée signifie moins de chaleur générée dans la cellule et une plus grande densité énergétique.
Une porosité uniforme est essentielle pour éviter les variations du flux d’ions. Plus le flux ionique varie à l’intérieur du séparateur, plus l’effet est important à la surface de l’électrode et plus celle-ci se dégrade rapidement, avec une durée de vie du cycle considérablement réduite. Une porosité excessive entrave la capacité des pores à se fermer, ce qui est vital pour permettre au séparateur d’arrêter une batterie en surchauffe.
Taille, forme, répartition et tortuosité des pores
La taille des pores du séparateur doit être inférieure à la taille des particules des composants de l’électrode, c’est-à-dire les matériaux actifs de l’électrode et les éventuels additifs conducteurs. La plupart des membranes de séparation ont des pores de taille submicronique qui bloquent la pénétration des particules.
Une répartition uniforme et une structure tortueuse des pores sont également nécessaires. Une répartition uniforme empêche une répartition inégale du courant dans le séparateur et la tortuosité supprime la croissance du lithium dendritique.
Analyse des électrolytes
L’électrolyte liquide joue un rôle clé dans les batteries lithium-ion commerciales pour permettre la conduction des ions lithium entre la cathode et l’anode. L’électrolyte le plus couramment utilisé est constitué d’un sel de lithium, tel que le LiPF6, dans une solution organique.
Une grande pureté est nécessaire pour éviter l’oxydation à l’électrode et pour favoriser une bonne durée de vie du cycle. En plus du sel de lithium, divers additifs sont également inclus dans la solution d’électrolyte finale. Ces additifs sont mélangés à la solution de LiPF6 pour empêcher la formation de dendrites de lithium et la dégradation de la solution.
Potentiel zêta
Il existe des phénomènes électrocinétiques causés par la séparation des charges à l’interface séparateur-électrolyte. La diffusion de la solution électrolytique chargée à travers les pores du séparateur doit subir l’influence du potentiel zêta à l’interface.
Le potentiel zêta à cette interface peut empêcher ou faciliter le passage de l’électrolyte à travers le séparateur. La valeur du potentiel zêta donne une indication de la stabilité potentielle d’un système : plus la valeur est grande (positive ou négative), plus la stabilité de la solution est élevée.
Fabrication et analyse des défauts
La caractérisation des matériaux avant et pendant la fabrication est un paramètre de contrôle essentiel pour garantir le fonctionnement optimal des composants des cellules et de la batterie assemblée finale.
Des matières premières à la fabrication des composants et à la batterie assemblée elle-même, la caractérisation des matériaux joue un rôle essentiel dans la détermination des performances électrochimiques souhaitées, de la sécurité, du cycle des cellules et d’autres paramètres importants.
Taille et forme des particules – Matières premières
La taille et la forme des particules influencent la densité de tassement qui, à son tour, affecte l’épaisseur de l’électrode et, par conséquent, la densité d’énergie.
Il a été démontré que la répartition granulométrique du graphite, ainsi que l’orientation des particules dans la feuille enduite, affectent les performances électrochimiques des anodes en graphite. La pureté est également une question importante et un degré peu élevé d’impuretés métalliques doit être maintenu dans toutes les poudres et tous les additifs utilisés dans la fabrication des électrodes.
Dégradation des performances
Au cours de la vie d’une pile, des phénomènes physiques et électrochimiques contribuent à la dégradation de ses performances. Cette baisse de performance se manifeste notamment par une diminution de la capacité pendant les cycles de charge et de décharge ou par une réduction de la durée de vie.
La dilatation et la contraction peuvent provoquer une contrainte interfaciale qui affecte négativement les performances de l’électrode, au point de provoquer une délamination entraînant une réduction du contact entre le matériau de l’électrode et le collecteur de courant. Des modifications de la taille des pores peuvent se produire à cause de cette défaillance mécanique, ce qui entraîne une réduction du contact avec l’électrolyte et un mauvais comportement en cyclage.
Des méthodes à température programmée telles que la DSC et la TGA peuvent être utilisées pour examiner les conditions possibles de surchauffe.
Calandrage/Détermination de la fraction solide
Le calandrage est l’étape la plus critique dans la production d’électrodes de haute performance. La porosité et l’épaisseur du film de l’électrode diminuent avec l’augmentation du calandrage. Le calandrage devrait également modifier la structure des pores de l’électrode, ce qui aurait un impact sur le comportement de mouillage du film par l’électrolyte.
Le calandrage au-delà du niveau optimal entraîne une réduction de la porosité et du diamètre moyen des pores, ce qui peut entraîner une perte de capacité irréversible, un cyclage à haut débit et une faible longévité dans les performances du cycle. La fraction solide est un paramètre de contrôle utilisé dans les opérations de compactage au rouleau. Ce paramètre de contrôle aide à déterminer le réglage optimal de la vitesse, de la compression et de l’angle de pincement dans le compacteur à rouleaux. L’utilisation de la fraction solide comme attribut critique de qualité permettra d’assurer la constance du produit d’un lot à l’autre, ainsi que la performance électrochimique du produit final.
La PTA peut caractériser le flux de poudre de la charge d’alimentation pour assurer un processus sans heurts et caractériser les propriétés du film d’électrode fini.