Испытание твердости частиц отдельных электродов батареи

Источник фонового изображения: Андреас Сартисон / iStock / Getty Images Plus через Getty Images.

Твердость порошковых материалов, используемых для изготовления электродов батареи, является важным параметром, определяющим срок службы батареи. Материалы электродов в виде твердых частиц подвергаются значительным нагрузкам во время изготовления элементов. Во время использования циклическая зарядка и разрядка аккумулятора вызывает механические напряжения в материалах электродов, что может существенно повлиять на долговременную стабильность. Недавно исследователи показали корреляцию между твердостью частиц и цикличностью материалов катодов слоистых литий-ионных аккумуляторов1.

В этой статье описываются новый прибор для микросжатия и метод определения твердости отдельных частиц с использованием контролируемого одноосного сжатия. Приведены краткие примеры метода, используемого для характеристики и сравнения твердости материалов анода батареи. Несколько более подробных примеров представлены в перечисленных ссылках.

Изображение прибора для испытания на микрокомпрессию и схема испытания показаны на рисунке 1.

Система, управляемая ПК, состоит из следующих компонентов: установленного сверху оптического блока формирования изображения образца 500X с микрометром и компьютерным дисплеем, нижнего прессовального стола, установленного на прецизионном столике XY, блока электромагнитной силовой нагрузки с диапазоном испытательного усилия от 9,8 до 4900 мН или 1960 мН, индентор для плоских алмазных образцов диаметром 50 или 500 микрон и дифференциальный трансформаторный детектор сжатия и смещения. Боковая камера позволяет просматривать измерения и сохранять их на видео.

Этот прибор можно модифицировать для проведения испытаний при повышенных температурах до 250 C. Кроме того, доступен блок измерения электрического сопротивления, позволяющий контролировать электрическое сопротивление частиц во время эксперимента по сжатию.

Рисунок 1: Система микрокомпрессии и схематическое изображение теста | Источник изображения: Шимадзу

Для проведения измерения частицы рассеиваются на нижней плите. Отдельные частицы визуализируются и отбираются для анализа с помощью оптической системы с верхней загрузкой (рис. 2а и б). Измеряют размеры частиц и рассчитывают средний геометрический диаметр. Частица помещается для тестирования под индентор с помощью столика XY. К образцу прикладывается сжимающая сила с постоянной программируемой скоростью (рис. 3), после чего кривая зависимости силы от смещения регистрируется и сохраняется.

Фигура 2: 2а показан графитовый анодный материал, диспергированный на нижней прессующей плите; 2b показана отдельная частица, просмотренная до анализа. | Источник изображения: Шимадзу

Рисунок 3: Шаблон принудительной загрузки | Источник изображения: Шимадзу

Испытания обычно проводятся до тех пор, пока образец не сломается (рисунок 4) или пока не будет наблюдаться заданное процентное смещение (рисунок 5). Затем прочность или твердость частицы при деформации можно рассчитать по установленным формулам, которые связывают приложенную силу, смещение и начальные размеры отдельных частиц2,3. Также могут проводиться измерения циклической нагрузки.

Рисунок 4: Кривая силового смещения, показывающая четкую точку разрушения частиц | Источник изображения: Шимадзу

Рисунок 5: Кривая силового смещения без четкой точки излома | Источник изображения: Шимадзу

Следующие примеры иллюстрируют технику, применяемую к материалам аккумуляторов:

В этом примере сравнивается прочность на сжатие частиц LiMn2O4 и LiCoO2. Образцы сжимали с применением испытательной силы 50 мН при скорости нагрузки 2,2 мН/с. Кривая силы смещения и расчетные значения прочности на разрушение показаны на рисунке 6 и в таблице 1.

Горизонтальная часть графика смещения силы четко указывает на силу при разрушении. Прочность на излом рассчитывалась с использованием уравнения 1, основанного на JIS R1639-5, Метод испытания свойств мелких керамических гранул, Часть 5, прочность на сжатие одиночной гранулы2. Показанные значения представляют собой среднее значение десяти измерений отдельных частиц. Явную разницу можно увидеть в прочности двух материалов.