Propriétés de cisaillement et d’écoulement d’une poudre cathodique sèche à base de NMC

L’optimisation de la fabrication des électrodes pour les batteries lithium-ion fait l’objet d’une attention croissante en raison de l’inefficacité des méthodes traditionnelles de traitement des boues d’électrodes et des préoccupations environnementales qu’elles suscitent. Afin d’éliminer les pièges liés à l’utilisation d’une boue, des efforts ont été déployés pour utiliser des techniques de revêtement par poudre sèche. Bien que cela élimine le coût, le temps et les problèmes environnementaux associés à l’utilisation d’un solvant, le revêtement par poudre sèche présente des défis supplémentaires en matière de manipulation et de traitement des poudres. Dans cette note d’application, le nouvel accessoire pour poudre de TA Instruments™ est utilisé pour caractériser les propriétés de cisaillement en vrac et d’écoulement d’une poudre de cathode de lithium nickel manganèse cobalt (NMC) avec différents ratios de noir de carbone et de liant polymère. La cohésion de la poudre, la limite d’élasticité non confinée, la fonction d’écoulement et l’énergie totale d’écoulement ont été caractérisées afin de fournir des informations sur la formulation et la mise à l’échelle. L’analyse thermogravimétrique (TGA) est utilisée comme technique facile pour identifier la teneur en liant dans la poudre. La microscopie électronique à balayage (MEB) associée à la spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS) permet de relier les propriétés de la poudre à la microstructure sous-jacente qui affecte le comportement spécifique de la poudre en matière de cisaillement et d’écoulement. Les résultats montrent que la modification de la teneur en liant polymère influence l’interaction interparticulaire et les propriétés de cisaillement et d’écoulement en vrac qui en découlent.

Les batteries lithium-ion (LIB) s’étant imposées comme la solution de stockage d’énergie la plus importante, les processus de fabrication qui interviennent dans leur conception ont fait l’objet d’une attention particulière[1]. La fabrication des électrodes est un aspect coûteux et chronophage de la fabrication des batteries. Les composants de l’électrode sont mélangés à un solvant pour former une boue, qui est ensuite enduite et séchée sur un collecteur de courant à feuille métallique. Ce procédé à base de solution permet un mélange adéquat pour produire un revêtement d’électrode uniforme dans un processus de rouleau à rouleau à grande échelle, mais l’utilisation de solvant ajoute du temps et du coût à la fabrication globale de l’électrode. Le séchage et la récupération des solvants représentent plus de 40 % de la consommation totale d’énergie et une part importante du coût. Deuxièmement, les étapes de séchage nécessaires pour éliminer le solvant ajoutent du temps au processus de fabrication[2]. En outre, le solvant, en particulier pour la fabrication des cathodes, est généralement un solvant organique toxique pour l’environnement, tel que le N-Méthyl-2-pyrrolidone (NMP)[3].

Sur la base des considérations ci-dessus, des efforts ont été déployés pour mettre en œuvre des processus de revêtement par poudre sèche afin de fabriquer des électrodes LIB. Par conséquent, les propriétés de la poudre sont essentielles au processus de fabrication. La fluidité est importante pour le transport de la poudre lors de la mise à l’échelle et de la production, et la cohésion de la poudre a un impact sur l’uniformité du revêtement. Le procédé de revêtement par poudre sèche consiste à mélanger les composants actifs de l’électrode avec un liant polymère à l’état de poudre sèche. La poudre d’électrode mélangée est ensuite appliquée sur une feuille métallique et une combinaison de température et de pression est utilisée pour faire adhérer l’électrode en poudre au substrat. Au cours de ce procédé, la poudre est soumise à une compression et à un cisaillement. Ce procédé d’électrode sèche réduit le temps et le coût associés à l’utilisation de solvants et est plus rentable que l’utilisation d’un précurseur sous forme de boue[3].

L’un des matériaux de cathodes les plus utilisés est le lithium nickel manganèse cobalt (NMC). Cela est dû en grande partie à sa densité énergétique élevée et à sa longue durée de vie par rapport à d’autres matériaux de cathodes[4]. La quantité de NMC dans le matériau de la cathode est essentielle pour la densité énergétique de la batterie. Dans cette note, les propriétés rhéologiques d’une poudre de cathode à base de NMC seront analysées. Le NMC est mélangé à différents ratios de noir de carbone (CB) et de liant de fluorure de polyvinylidène (PVDF). Ces composants ont été modifiés, car le CB apporte un réseau conducteur au système tandis que le PVDF fournit un réseau physique pour l’adhésion au substrat. L’interaction entre ces deux fonctions de réseau doit être comprise pour optimiser la conception de l’électrode. Compte tenu des propriétés isolantes du PVDF, une teneur élevée en PVDF peut entraîner un réseau conducteur insuffisant qui nuira aux performances de la batterie. D’autre part, l’absence de liant PVDF peut avoir des effets néfastes sur les propriétés de l’enrobage de l’électrode au cours du traitement. L’optimisation de la quantité de liant PVDF et de noir de carbone avec le matériau actif de la cathode NMC est essentielle pour la performance finale de l’électrode.

Dans cette note, des échantillons de poudre NMC mélangés à des quantités variables de CB et de PVDF sont étudiés pour explorer les impacts sur la fluidité de la poudre et donner un aperçu des conditions de traitement de la poudre. Les propriétés de cisaillement et d’écoulement de la poudre sont étudiées à l’aide de l’accessoire de rhéologie des poudres de TA Instruments. La microscopie électronique à balayage (MEB) et l’analyse thermogravimétrique (ATG) sont également utilisées pour corréler les propriétés de la poudre avec la microstructure et la teneur en PVDF, respectivement.

Les échantillons de poudre de cathode mélangés ont été fournis par SpectraPower, LLC (Livermore, CA) et sont composés de NMC811, de noir de carbone et d’un liant PVDF. Trois poudres ont été utilisées pour les essais avec des rapports de poids de 96:3:1, 96:2:2, et 96:1:3 pour NMC:CB:PVDF.

Les tests de rhéologie des poudres ont été effectués sur le rhéomètre de performance TA Instruments HR-30 en utilisant les accessoires de cisaillement et de fluidité des poudres. Les expériences de cisaillement ont été réalisées conformément à la norme ASTM D7891, avec une contrainte de consolidation avant cisaillement de 9 kPa et des étapes de cisaillement ultérieures à des contraintes de consolidation de 7, 6, 5, 4 et 3 kPa[5]. Les expériences sur la fluidité des poudres ont été menées à une vitesse de 100 mm/s à l’extrémité du rotor. L’analyse a été effectuée dans le logiciel TRIOS™ en utilisant la fonction logicielle d’analyse automatisée des poudres. Les notes d’application RH123 et RH126 [6] [7]de TA Instruments contiennent des détails supplémentaires sur les essais et l’analyse des poudres. La teneur en PVDF dans la poudre de cathode a été confirmée à l’aide du TA Instruments Discovery™ TGA 5500 où une montée de la température de la température ambiante à 1 000 °C a été effectuée à une vitesse de chauffage de 20 °C/min. La taille, la forme et la morphologie de surface des particules de la poudre ont été étudiées par MEB à l’aide d’un MEB de table Phenom™ XL de Thermo Fisher. La poudre a été préparée sur un ruban de carbone double face et imagée à une tension d’accélération de 5 kV.

Avec la demande croissante de réduction des coûts dans les processus de fabrication des LIB, l’utilisation des technologies de revêtement par poudre pour fabriquer les électrodes est de plus en plus explorée. La compréhension des propriétés globales des poudres est nécessaire pour optimiser la formulation et la conception du mélange et du processus de revêtement. Dans ce travail, les poudres cathodiques à base de NMC ont été analysées afin d’optimiser la formulation de l’électrode et les conditions de traitement. Le Discovery TGA permet de vérifier la qualité de la teneur en liant de la formulation et de déterminer la quantité de liant présente dans l’échantillon. Avec l’accessoire pour poudre de TA Instruments, les propriétés de cisaillement et de fluidité ont été caractérisées, montrant que la fluidité et l’énergie d’écoulement sont affectées par l’augmentation de la teneur en liant PVDF. En utilisant l’imagerie MEB, il a été montré qu’une teneur plus élevée en PVDF recouvre la surface des particules et agit comme un liant physique des particules de cathode, réduisant ainsi la friction entre les particules et augmentant la fluidité. En conséquence, l’analyse du cisaillement des poudres montre une fonction d’écoulement plus élevée et une cohésion plus faible pour une plus grande teneur en PVDF. L’effet de liaison des particules conduit à une énergie totale d’écoulement globalement plus élevée lorsque l’essai est réalisé dans la configuration d’écoulement de poudre avec une coupelle à surface lisse et un rotor à hélice. Ces résultats peuvent être utilisés pour optimiser la formulation et le processus de mélange des poudres et garantir des poudres cathodiques homogènes qui auront des performances électrochimiques répétables et cohérentes.