Teste de dureza de partículas individuais de eletrodos de bateria

Fonte da imagem de fundo: Andreas Sartison / iStock / Getty Images Plus via Getty Images.

A dureza dos materiais em pó usados ​​para fabricar eletrodos de bateria é um parâmetro importante na determinação da vida útil da bateria. Materiais de eletrodos particulados estão sujeitos a tensões significativas durante a fabricação de células. Durante o uso, o carregamento e descarregamento cíclico da bateria induz tensões mecânicas nos materiais dos eletrodos, o que pode afetar significativamente a estabilidade a longo prazo. Recentemente, pesquisadores mostraram correlação entre a dureza das partículas e o desempenho do ciclo de materiais catódicos de baterias de íons de lítio em camadas1.

Este artigo descreve um novo instrumento e técnica de microcompressão para determinar a dureza de partículas individuais usando compressão uniaxial controlada. São fornecidos breves exemplos da técnica usada para caracterizar e comparar a dureza dos materiais do ânodo da bateria. Vários exemplos mais aprofundados são fornecidos nas referências listadas.

Uma imagem de um testador de microcompressão e um esquema do teste são mostrados na figura 1.

O sistema controlado por PC é composto pelos seguintes componentes: uma unidade óptica de imagem de amostra 500X montada na parte superior com micrômetro e display de PC, uma placa de compressão inferior montada em um estágio XY de precisão, uma unidade de carregamento de força eletromagnética com uma faixa de força de teste de 9,8 a 4900mN ou 1960mN, um penetrador de amostra de diamante plano de 50 ou 500 mícrons de diâmetro e um detector de deslocamento de compressão de transformador diferencial. Uma câmera montada na lateral permite que as medições sejam visualizadas e armazenadas em vídeo.

Este instrumento pode ser modificado para testes de temperatura elevada de até 250 C. Além disso, um conjunto de medição de resistência elétrica também está disponível, permitindo que a resistência elétrica das partículas seja monitorada durante o experimento de compressão.

Figura 1: Sistema de microcompressão e visão esquemática do teste | Fonte da imagem: Shimadzu

Para realizar uma medição, as partículas são dispersas na placa inferior. Partículas individuais são fotografadas e selecionadas para análise usando o sistema óptico carregado no topo (figura 2a e b). As dimensões das partículas são medidas e um diâmetro médio geométrico é calculado. A partícula é posicionada para teste sob o penetrador usando o estágio XY. Uma força compressiva é aplicada à amostra a uma taxa constante programável (figura 3) e a curva força versus deslocamento é adquirida e armazenada.

Figura 2: 2a mostra material de ânodo de grafite disperso na placa de compressão inferior; 2b mostra uma partícula individual visualizada antes da análise. | Fonte da imagem: Shimadzu

Figura 3: Padrão de carregamento forçado | Fonte da imagem: Shimadzu

Os testes são normalmente realizados até a amostra quebrar (figura 4) ou até que um deslocamento percentual predefinido seja observado (figura 5). A resistência à deformação ou dureza das partículas pode então ser calculada a partir de fórmulas estabelecidas que relacionam a força aplicada, o deslocamento e as dimensões iniciais das partículas individuais2,3. Medições de carregamento cíclico também podem ser realizadas.

Figura 4: Curva de deslocamento de força mostrando ponto de ruptura claro da partícula | Fonte da imagem: Shimadzu

Figura 5: Curva de deslocamento de força sem ponto de ruptura claro | Fonte da imagem: Shimadzu

Os exemplos a seguir ilustram a técnica aplicada aos materiais da bateria:

Neste exemplo, a resistência à compressão das partículas de LiMn2O4 e LiCoO2 é comparada. As amostras foram comprimidas usando uma força de teste de 50mN a uma taxa de carregamento de 2,2mN/seg. A curva de deslocamento de força e os valores calculados de resistência à fratura são mostrados na figura 6 e na Tabela 1.

A parte horizontal do gráfico de deslocamento de força indica claramente a força na fratura. A resistência à fratura foi calculada usando a equação 1 que se baseia em JIS R1639-5, Método de teste de propriedades de grânulos cerâmicos finos, Parte 5 resistência à compressão de um único grânulo2. Os valores mostrados representam uma média de dez medições de partículas individuais. Uma clara diferença pode ser vista na resistência dos dois materiais.