Test de dureté des particules d'électrodes individuelles de batterie

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 particulaires des électrodes sont soumis à des contraintes importantes lors de la fabrication des cellules. Pendant l'utilisation, la charge et la décharge cycliques de la batterie induisent des contraintes mécaniques dans les matériaux des électrodes, 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 cathodiques en couches des batteries lithium-ion1.

Cet article décrit un nouvel instrument et une technique de micro-compression permettant de 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 dans la figure 1.

Le système contrôlé par PC est composé des composants suivants : une unité d'imagerie optique d'échantillon 500X montée sur le dessus avec micromètre et écran PC, un plateau de compression inférieur monté sur un étage 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 pénétrateur d'échantillon en diamant plat de 50 ou 500 microns de diamètre et un détecteur de déplacement par compression à transformateur différentiel. Une caméra latérale permet de visualiser et de stocker les mesures en vidéo.

Cet instrument peut être modifié pour des tests 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, les particules sont dispersées sur le plateau inférieur. Les particules individuelles sont imagées et sélectionnées pour analyse à l’aide du système optique chargé 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’échantillon à un taux constant programmable (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 vue avant l'analyse. | Source de l’image : Shimadzu

Figure 3: Modèle de chargement forcé | 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 ensuite 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.

Figure 4 : Courbe de déplacement de force montrant clairement le point de rupture des particules | Source de l’image : Shimadzu

Figure 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 des batteries :

Dans cet exemple, la résistance à la compression des particules LiMn2O4 et LiCoO2 est comparée. Les échantillons ont été compressés en utilisant une force d'essai de 50 mN à un taux de charge de 2,2 mN/s. La courbe de déplacement de force et les valeurs calculées de résistance à la rupture sont présentées dans la figure 6 et dans le 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 granules fins de céramique, 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 constatée dans la résistance des deux matériaux.