Siliciumanodemateriaal is om een andere reden lastig te classificeren dan grafiet. Grafiet verzet zich tegen classificatie omdat de deeltjes platte plaatjes zijn. Silicium verzet zich tegen classificatie vanwege wat er gebeurt zodra het deeltje zich in de batterij bevindt, en omdat het materiaal dat daadwerkelijk wordt gebruikt zelden puur silicium is. In de productie is het bijna altijd een silicium-koolstofcomposiet, een siliciumoxide of een nanosiliciummengsel vermengd met grafiet.
Het kernprobleem is volumetoename. Zuiver silicium zwelt ongeveer 300% op wanneer het lithium absorbeert; grafiet zwelt ongeveer 10% op. Die uitzetting veroorzaakt scheuren in het deeltje en beschadigt de elektrode, waardoor de capaciteit binnen een paar honderd cycli afneemt. De standaardoplossing is om het silicium te verkleinen tot nanogrootte en het in te sluiten in een koolstof- of grafietmatrix met een nauwe deeltjesgrootteverdeling. Als de D90 te hoog is, zetten te grote deeltjes uit en ontstaan er plaatselijke scheuren. Als de D90 te laag is, vergroot de fijne fractie het oppervlak, verbrandt lithium in de eerste cyclus en vermindert de efficiëntie en de bulkdichtheid.
Dit artikel behandelt waarom siliciumanodes moeilijk te classificeren zijn, de PSD-doelstellingen voor elk materiaalsoort en hoe een luchtclassificator kan worden ingesteld om een scherpe bovensnede te behouden zonder het nanosilicium te beschadigen.
Waarom siliciumanodes moeilijker te classificeren zijn dan conventionele anodematerialen
Het 300%-uitbreidingsprobleem
Bij de meeste poeders draait het bij de deeltjesgrootte om consistentie. Bij siliciumanodes gaat het echter om prestaties. Een enkel te groot deeltje zwelt op en veroorzaakt scheuren in de elektrode eromheen, en die scheuren vormen een startpunt voor verdere schade. Voor de celproducent uit zich een D90-waarde die niet aan de specificaties voldoet in vroegtijdige uitval en een korte levensduur.
De fijne deeltjes zijn net zo belangrijk. Nanosilicium heeft een enorm oppervlak, en dat reageert volledig met de elektrolyt tijdens de eerste cyclus om de SEI-laag te vormen, waardoor lithium permanent verbrandt. Daarom verliezen siliciumanodes aan efficiëntie tijdens de eerste cyclus. Als er te veel fijne deeltjes doorheen komen, daalt de efficiëntie. Als er te grote deeltjes doorheen komen, neemt de levensduur af. Een siliciumleiding moet beide uiteinden van de deeltjesverdeling tegelijkertijd aankunnen.
Drie materialen, drie problemen
Zuiver nanosiliciumHet materiaal, met primaire deeltjes van ongeveer 100 tot 200 nm, wordt gebruikt als een kleine toevoeging, meestal 2 tot 10 procent gemengd met grafiet. De grootste uitdaging is agglomeratie: nanodeeltjes klonteren samen tot zachte klonten die door de luchtstroom worden waargenomen als één grote, afzonderlijke deeltjes.
SiliciumoxideSiOx, ook wel bekend als siliciumdioxide, is een deeltje op micronschaal met een D50 van ongeveer 5 tot 10 micron. Het zet minder uit, zo'n 150 tot 200 procent, en heeft een matige capaciteit. De consistentie ervan hangt af van een smal deeltjesgroottebereik, omdat het zuurstofgehalte verandert met de deeltjesgrootte.
Silicium-koolstofcomposiet Nanosilicium is ingebed in een koolstof- of grafietmatrix en is de meest gebruikte commerciële anode. Het doel is een D50 van 8 tot 15 micron en een capaciteit van 400 tot 650 mAh/g met een acceptabele levensduur. De classificator moet een scherpe bovenafsnijding en een gelijkmatige siliciumdispersie leveren.
Agglomeratie en verwerking op nanoschaal
Silicium op nanoschaal is zeer cohesief. Een zacht aggregaat wordt door de luchtstroom als één groot deeltje gezien en naar de grove stroom geduwd, of het blijft achter als een te grote klomp die zich in de elektrode gedraagt als een grof deeltje. De classificator moet deze klompen uit elkaar halen en de echte te grote deeltjes direct verwijderen, met voldoende energie om ze te verspreiden, maar niet zoveel dat de primaire deeltjes worden verbrijzeld. Een algemene mineraalclassificator zal hier ondermaats presteren.
PSD-specificaties per anodetype
Anodetype D50-doel D90-doel Belangrijkste vereiste
Nanosiliciumadditief 0,1 tot 0,2 micron kleiner dan 0,5 micron. Behoud van het primaire deeltje.
Siliciumoxide (SiOx) 5 tot 10 micron 15 tot 20 Smalle spanwijdte
Silicium-koolstofcomposiet 8 tot 15 micron 25 tot 35 Scherpe bovensnede
Silicium-grafietmengsel 6 tot 12 micron 18 tot 25 Afgestemd op grafietgrootte
Specificaties variëren per celfabrikant en elektrodeontwerp. Controleer de ontvangstkeuring van de koper voordat u parameters instelt.
Net als bij grafiet is de D90 de harde grens. De D50 wordt bepaald door de rotorsnelheid en beweegt voorspelbaar. De D90 is de staart, de deeltjes net boven het snijpunt die door turbulentie of variaties in de toevoer heen glippen. Bij silicium betekent een te grote staart dat de deeltjes uitzetten en de elektrode doen barsten.
Een classificator configureren voor siliciumanodepoeder
Stel het snijpunt in voor de bovenste snede, niet voor de middelste.
De meeste classificatoren worden in bedrijf gesteld rond D50, omdat dit gemakkelijk te meten is. Voor siliciumanoden is het raadzaam om eerst in bedrijf te stellen op basis van D90. Stel de rotorsnelheid zo in dat de D90-limiet wordt aangehouden, meet vervolgens de resulterende D50 en controleer de fijne deeltjes. Een praktische eerste stap is om de rotor 10 tot 20 procent sneller te laten draaien dan een berekening voor een bolvormig mineraal zou suggereren voor uw D90-doelwaarde, meet vervolgens de werkelijke deeltjesgrootteverdeling (PSD) met behulp van laserdiffractie en verlaag de snelheid totdat de D90 binnen de specificaties valt.
Houd de luchtstroom laag om de nanodeeltjes te beschermen.
Een hogere luchtstroom verhoogt de weerstand en trekt meer materiaal in de fijne deeltjesstroom. Bij silicium trekt dit fijne deeltjes met een groot oppervlak door het snijpunt en vergroot het de fractie fijne deeltjes, wat de efficiëntie vermindert. Het raakt ook los gebonden composieten harder, waardoor het koolstofsubstraat kan barsten. Houd de luchtstroom daarom op het minimum dat nodig is voor stabiel transport, ongeveer 10 tot 20 procent lager dan wat een mineraal zou gebruiken.
Houd het voer stabiel en vooraf gedispergeerd.
Bij een piek in de toevoer stijgt de deeltjesconcentratie in de zone en verschuift het scheidingspunt naar een grovere waarde. Voer de toevoer toe met 60 tot 75 procent van de nominale capaciteit en houd deze binnen een tolerantie van plus of minus 5 procent met behulp van een massastroomregelaar. Voor nanosilicium of een agglomererende grondstof is het raadzaam een dispersiestap toe te voegen vlak voor de classificator.
IJzervrij is geen optie.
Een ijzergehalte van enkele deeltjes per miljoen kan een cel kortsluiten. Een conventionele classificator van koolstofstaal verwijdert ijzer door slijtage van de rotor. Siliciumanodelijnen vereisen keramisch gecoate rotors en voeringen, en het producttraject moet voldoen aan de ijzerspecificaties van de celfabrikant. Voor fijne of pyrofore soorten voorkomt een inertgascircuit bovendien oxidatie en stofexplosies.
Uitgangspunten
Rotorsnelheid: 10 tot 20 procent hoger dan de berekening voor bolvormig materiaal voor dezelfde D90, in eerste instantie getest met de D90.
Luchtstroom: 10 tot 20 procent onder de mineraalcapaciteit, minimaal voor stabiel transport.
Toevoer: 60 tot 75 procent van de capaciteit, met een afwijking van plus of minus 5 procent; voorgedispergeerd indien agglomeratie optreedt.
Verontreiniging: keramisch gecoate rotor en voering, inert gas voor fijne of pyrofore deeltjes.
Verificatie: neem gedurende de eerste 4 uur van een nieuwe kwaliteitsklasse elke 30 minuten een monster.
Productiecases
Geval 1: Silicium-koolstofcomposiet D90, gesneden van 43 tot 29 micron
Een producent leverde een celfabrikant een D90-limiet van 35 micron. Ongeveer één op de vijf batches voldeed niet aan de kwaliteitscontrole bij binnenkomst, met een limiet van 41 tot 45 micron. De classificator was ingesteld op basis van minerale instellingen en werd alleen gecontroleerd op basis van D50, wat prima was met een limiet van 11,2 micron. De te grote fractie glipte erdoorheen omdat de D90-limiet nooit het doel was. De celfabrikant herleidde de vroege capaciteitsafname tot scheurvorming rondom die te grote deeltjes.
Case 2: SiOx-kwaliteit, smaller bereik en verminderd verlies in de eerste cyclus
Een SiOx-producent produceerde een product met een streefwaarde van D50 7 en D90 18 micron, maar de D10-waarde was onder de 1 micron gezakt, waardoor het oppervlak groter werd en het rendement van de eerste cyclus onder de minimumvereiste van de koper zakte. De oorzaak was een te hoge luchtstroom die fijn oxide door het snijpunt trok, plus een stalen rotor die sporen van ijzer afgaf.
De luchtstroom werd met 18 procent verminderd, de rotorsnelheid werd aangepast om de bovenste snede te behouden, en de stalen rotor en voering werden vervangen door keramisch gecoate onderdelen, met een inertgascircuit voor de fijne oxide. De spanwijdte werd met 28 procent verkleind, D10 herstelde zich tot 1,6 micron, het rendement van de eerste cyclus verbeterde met 2,1 punten en het gehalte aan sporenijzer daalde onder de drempel van 5 ppm.
Classificatie van siliciumanode of een ander batterijmateriaal?
EPIC Powder Machinery configureert luchtclassificatiesystemen voor de verwerking van batterijmaterialen, inclusief scherpe bovensneden, verwerking van nanodeeltjes en composieten, contaminatiebeheersing en bescherming met inert gas. We voeren gratis classificatieproeven uit met uw silicium-, SiOx- of silicium-koolstofmateriaal en leveren volledige PSD-gegevens voordat u een definitieve beslissing neemt. Stuur ons uw PSD-waarde, de gewenste D50- en D90-waarden en de doorvoercapaciteit.
Vraag een gratis classificatieproef aan: www.powder-air-classifier.com/contact
Ontdek ons assortiment luchtclassificatiesystemen: www.powder-air-classifier.com
Veelgestelde vragen
Welke D50/D90 moet ik gebruiken voor een silicium-koolstofanode?
Voor een gangbare composiet ligt D50 doorgaans tussen de 8 en 15 micron, D90 tussen de 25 en 35 micron en D99 tussen de 35 en 45 micron. De exacte bandbreedte is afhankelijk van de celstructuur en de siliciumbelasting. Een hoger siliciumgehalte zorgt voor een smallere bovengrens, omdat te grote deeltjes uitzetten en barsten. Stel de D90 eerst in op basis van de inspectie van de klant en pas vervolgens het gemiddelde aan.
Waarom klontert nanosilicium samen tijdens de classificatie en hoe kan ik dat voorkomen?
Nanosilicium is zeer cohesief. Krachten die op micronschaal verwaarloosbaar zijn, domineren op nanoschaal, waardoor primaire deeltjes samenklonteren tot zachte klonten die de luchtstroom als grove deeltjes interpreteert. Dit kan worden verholpen met een dispersiestap vóór de classificator, een lagere luchtstroom en vochtigheidsregeling van de proceslucht. Aarding en, voor fijnere deeltjes, een inertgascircuit helpen ook.
Kan één classificatiesysteem silicium, SiOx en silicium-koolstofcomposiet verwerken?
Niet met één set parameters. De drie materialen scheiden zich in verschillende groottes, vertonen verschillende faaleigenschappen en hebben verschillende eisen ten aanzien van verontreiniging en gas. Eén platform kan ertussen schakelen, maar elk materiaal vereist een eigen recept voor rotorsnelheid, luchtstroom, toevoersnelheid, dispersie en gasinstelling.
Episch poeder
Bedankt voor het lezen. Ik hoop dat mijn artikel je helpt. Laat hieronder een reactie achter. Je kunt ook contact opnemen met de online klantenservice van EPIC Powder. Zelda voor verdere vragen.”
— Jason Wang, Ingenieur
