Introduzione

Il mercato delle batterie è in crescita esponenziale. La crescente domanda di dispositivi elettronici portatili, inclusi telefoni cellulari e laptop, ha richiesto grandi progressi nella tecnologia delle batterie per fornire una fonte di alimentazione leggera, duratura e stabile nel tempo. La tecnologia delle batterie viene ulteriormente spinta anche nelle applicazioni dei veicoli elettrici, che richiedono batterie sempre più leggere, ad alta potenza e a ricarica rapida.

Sia le batterie primarie (usa e getta) che quelle secondarie (ricaricabili) utilizzano un’ampia gamma di materiali per ottenere la densità energetica richiesta a un costo ragionevole. All’interno di questo, un parametro importante nella progettazione della batteria è la dimensione delle particelle dei materiali utilizzati all’interno degli elettrodi, poiché ciò aiuta a definire la potenza e la capacità della batteria. In questa nota applicativa, abbiamo studiato alcuni dei materiali comuni utilizzati nella produzione di batterie e come la loro dimensione delle particelle può essere caratterizzata utilizzando la tecnica della diffrazione laser.

Requisiti granulometrici

Le prestazioni di una batteria possono essere caratterizzate in base alla quantità di energia che può immagazzinare o alla quantità di energia che può produrre. Per una particolare chimica delle celle e dimensioni della batteria, le prestazioni possono essere ottimizzate per un’elevata capacità energetica o un’elevata potenza ^[2]. La potenza di una batteria o la sua capacità di gestione della corrente dipende dalla velocità della reazione tra gli elettrodi e l’elettrolita. Questo è influenzato dalla distribuzione granulometrica del materiale dell’elettrodo, poiché ciò definisce l’area superficiale disponibile. La potenza massima della batteria può essere aumentata diminuendo la dimensione delle particelle del materiale dell’elettrodo e aumentando l’area superficiale.

Tuttavia, la capacità di accumulo di energia di una batteria dipende dal volume di elettrolita contenuto all’interno della cella. In quanto tale, deve esserci un equilibrio tra lo spazio occupato dagli elettrodi e l’elettrolita. La riduzione della dimensione delle particelle del materiale dell’elettrodo aumenterà l’area superficiale; tuttavia, influenzerà anche la dimensione dei vuoti tra le particelle dell’elettrodo, provocando una riduzione del volume complessivo dell’elettrolito e della capacità della batteria. Se questi vuoti diventano troppo piccoli, si riduce anche il contatto tra le superfici degli elettrodi e l’elettrolita. Ciò può ridurre la mobilità ionica all’interno della batteria, influenzando la velocità di reazione e riducendo la potenza della batteria. Di conseguenza, negli elettrodi viene spesso utilizzata una miscela di particelle grossolane e fini per aumentare l’area superficiale, attraverso l’introduzione di particelle fini, controllando anche la frazione di impaccamento complessiva del materiale dell’elettrodo. Ciò consente un buon contatto tra l’elettrodo e l’elettrolita ^[4,5].

Anche la dimensione delle particelle e la distribuzione saranno importanti durante la produzione poiché influenzeranno la densità e la comprimibilità. Questi sono entrambi parametri importanti nella produzione di batterie alcaline in cui il catodo viene compresso nella sua forma. Il rilevamento degli agglomerati sarà importante, poiché questi possono influenzare la qualità della superficie del catodo.

Misure granulometriche

Le informazioni granulometriche sono state ottenute mediante diffrazione laser. Il Mastersizer 3000 è uno strumento in diffrazione laser con un range dimensionale che va dai 0,01μm fino a 3500μm. Le particelle, che sono sospese in un liquido o nell’aria, passano attraverso il raggio laser e disperdono la luce che viene raccolta da rivelatori posizionati su una gamma di diversi angoli. Le informazioni sulla dimensione delle particelle possono essere ottenute con questo metodo in base al principio che le particelle grandi diffondono la luce ad angoli bassi e le particelle piccole diffondono la luce ad angoli elevati. Un modello di scattering appropriato può essere utilizzato per ottenere una distribuzione granulometrica da questi dati di scattering angolare.

L’ampio range dimensionale del Mastersizer è particolarmente utile nell’analisi dei materiali delle batterie, poiché consente di caratterizzare in un’unica misura, con un’unica ottica, le miscele di particelle utilizzate negli elettrodi di dimensioni che vanno dai nanometri ai micron. In secondo luogo, poiché la diffrazione laser è sensibile al volume delle particelle, sarà particolarmente sensibile nella misura di piccole quantità di agglomerati che possono causare problemi durante la produzione.

Batterie a ioni di litio

Due componenti delle batterie agli ioni di litio sono stati caratterizzati utilizzando il Mastersizer3000: ossido di cobalto di litio e fosfato di ioni di litio. L’ossido di cobalto di litio è uno standard industriale che garantisce una lunga durata del ciclo e un’elevata densità energetica. Tuttavia, questo materiale presenta svantaggi ambientali dovuti alla tossicità del cobalto. Tali preoccupazioni ambientali non sono un problema con il litio ferro fosfato che presenta gli ulteriori vantaggi di basso costo, maggiore sicurezza e velocità di ricarica elevate. Lo svantaggio del fosfato di ferro e litio è una densità energetica inferiore rispetto all’ossido di cobalto di litio.

Le distribuzioni delle dimensioni delle particelle sia per l’ossido di cobalto di litio che per il fosfato di ferro e litio sono mostrate nella Figura 1. Da queste, è possibile valutare facilmente la dimensione mediana delle particelle e l’ampiezza complessiva della distribuzione. Il Dv50 per il campione di ossido di cobalto di litio è 7,7 μm, rispetto a 11,1 μm per il campione di fosfato di ferro e litio. Le differenze nelle distribuzioni delle dimensioni delle particelle per questi materiali potrebbero essere in relazione con la densità energetica e con la dimensione delle celle richieste per ogni particolare applicazione.

Figura 1: Distribuzioni granulometrica di due materiali per elettrodi agli ioni di litio

Batterie alcaline

Il materiale della batteria alcalina studiato in questo lavoro è un materiale catodico: il biossido di manganese elettrolitico (EMD). Sono stati misurati tre gradi di EMD (Figura 2) e ciascuno mostra una miscela di materiale grossolano di circa 30 μm di dimensione con particelle fini di circa 150 nm. Tali miscele vengono utilizzate per migliorare le prestazioni della batteria aumentando l’area superficiale degli elettrodi. I tre gradi di EMD mostrano un aumento granulometrico significativo della moda principale della distribuzione, che equivale rispettivamente a 29μm, 37,4μm e 53,13μm per i campioni EMD 1, 2 e 3. All’aumentare della moda principale l’area superficiale diminuirà ma ciò sarà controbilanciato dalla presenza delle particelle fini che contribuiranno maggiormente alla stessa area superficiale, aiutando a mantenere la potenza erogata.

Figura 2: Distribuzioni granulometrica di tre gradi di EMD

La dimensione della moda principale può essere correlata alla dimensione della batteria in cui viene utilizzato il materiale. Batterie di dimensioni maggiori possono contenere materiali per elettrodi con una dimensione delle particelle maggiore poiché lo spazio in cui l’elettrodo deve adattarsi non è così limitato. In questa modalità è possibile ottenere un’ampia area superficiale complessiva senza dover processare il materiale del catodo con una granulometria molto fine. Ciò offre anche altri possibili vantaggi, infatti in termini di volume dell’elettrolita e mobilità ionica, L’EMD 1 potrebbe quindi essere utilizzato in una batteria di formato AA o AAA, mentre gli EMD 2 e 3 potrebbero essere utilizzati in batterie di dimensioni C o D più grandi per aumentarne la capacità ^[6].

Conclusioni

Le distribuzioni granulometriche dei materiali degli elettrodi nelle batterie sono fondamentali per determinare le prestazioni di una batteria. Per una data chimica e/o dimensione della cella, la distribuzione delle dimensioni delle particelle del materiale dell’elettrodo può essere regolata per ottimizzare l’energia e la potenza della batteria stessa. Per ottenere un elevato accumulo di energia è necessario massimizzare il volume dell’elettrolita. Tuttavia, quando si tratta di fornire un’elevata potenza, l’area superficiale dell’elettrodo è più importante. È fondamentale quindi che un produttore di batterie sia in grado di misurare rapidamente e facilmente la distribuzione delle dimensioni delle particelle che compongono gli elettrodi. La diffrazione laser è ideale per caratterizzare questi materiali poiché l’ampio range dimensionale (0,01-3500um) consente di caratterizzare miscele di materiali di dimensioni nanometriche e micrometriche in un’unica misura. La sensibilità della distribuzione in volume rende inoltre la diffrazione laser un metodo efficace per rilevare qualsiasi materiale sovradimensionato o agglomerato che potrebbe causare problemi durante la produzione.