Dispersion des matériaux conducteurs à nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT)

Les nanotubes de carbone (NTC), également appelés « buckytubes », sont des matériaux quantiques unidimensionnels formés par un ou plusieurs couches de graphène enroulées selon un angle hélicoïdal spécifique autour d'un axe central. Ils ont été découverts pour la première fois par Sumio Iijima en 1991. Le rapport longueur-diamètre et la pureté du carbone constituent deux indicateurs essentiels qui influencent leur conductivité et déterminent directement les performances du produit. Plus le diamètre d'un nanotube de carbone est petit et plus sa longueur est importante, meilleure sera sa conductivité électrique.

Les nanotubes de carbone peuvent être considérés comme des feuilles de graphène enroulées. Ainsi, en fonction du nombre de couches de graphène qu'ils contiennent, ils peuvent être classés en : nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) et nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT).

Avantages commerciaux des nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT)

1. Structure Simple et Stabilité Chimique Lors de la formation des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNTs), les espaces entre les couches peuvent facilement devenir des sites piégeant divers défauts. En revanche, les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNTs) présentent une structure plus simple et uniforme, avec moins de défauts, ce qui leur confère une stabilité chimique supérieure.
2. Faible dosage et conductivité supérieure : En raison de leur rapport d'aspect élevé (rapport longueur sur diamètre), les SWCNT peuvent former un réseau conducteur tridimensionnel à des niveaux de chargement extrêmement faibles. Chaque SWCNT, constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, peut présenter des propriétés métalliques ou semi-conductrices selon sa chiralité (structure hélicoïdale). De plus, leurs liaisons fortes carbone-carbone confèrent une capacité exceptionnelle à transporter le courant, avec une densité de courant pouvant dépasser 1 000 fois celle des métaux tels que le cuivre.

3. Haute conductivité thermique La conductivité thermique par unité de masse des SWCNT est supérieure à celle des MWCNT. De plus, les deux types de nanotubes peuvent résister à des températures élevées dépassant 750°C.

4. Performance de sécurité renforcée Dans les cellules à poche soumises à un cycle intensif à haute température (à 45°C), celles contenant des SWCNT présentent une croissance de dendrites nettement moindre par rapport aux cellules utilisant d'autres agents conducteurs. Cela indique un risque beaucoup plus faible d'incendie de batterie.

5. Adhérence Améliorée de l'Électrode Le réseau de SWCNT lie ensemble les particules de matériau actif à l'intérieur de l'électrode, augmentant ainsi la résistance des liaisons interparticulaires. Cette propriété est particulièrement essentielle pour les anodes à base de silicium, qui sont sujettes à la pulvérisation et au délaminage lors des cycles de charge-décharge.

Avec le développement rapide de l'industrie des batteries au lithium-ion, les nanotubes de carbone (NTC) révèlent de plus en plus leur immense valeur d'application, notamment en tant qu'agent conducteur visant à améliorer la conductivité électrique aussi bien de la cathode que de l'anode.

Avec le développement rapide de l'industrie des batteries au lithium-ion, les nanotubes de carbone (NTC) révèlent de plus en plus leur immense valeur d'application, notamment en tant qu'agent conducteur visant à améliorer la conductivité électrique aussi bien de la cathode que de l'anode.
Les agents conducteurs constituent un matériau auxiliaire essentiel dans les batteries lithium-ion, leur fonction principale étant d'améliorer la conductivité des électrodes. Un problème courant associé aux matériaux actifs de cathode est leur faible conductivité électrique intrinsèque. Cela entraîne une résistance interne élevée à l'intérieur de l'électrode ainsi qu'une profondeur de décharge insuffisante, ce qui se traduit par une faible utilisation du matériau actif et par une capacité résiduelle plus importante.

Un agent conducteur remplit plusieurs rôles essentiels :

① Renforcer le transport d'électrons Cela augmente le taux de transport des électrons à l'intérieur de l'électrode, améliorant ainsi sa conductivité électrique globale.

② Amélioration de la migration des ions et de la durée de vie Cela améliore le mouillage de l'électrode par l'électrolyte, ce qui accélère la vitesse de migration des ions lithium. Cela, à son tour, renforce l'efficacité de charge-décharge de l'électrode et prolonge sa durée de vie en cycles.

③ Maintenir le réseau conducteur : Lorsque le matériau actif de la cathode se dilate et se contracte pendant les cycles de charge-décharge, l'agent conducteur maintient un réseau électrique robuste, préservant ainsi une conductivité qui serait autrement perdue.

Actuellement, les agents conducteurs courants comprennent le noir de carbone, les nanotubes de carbone (CNT), le graphite conducteur, la fibre de carbone à croissance par vaporisation (VGCF) et le graphène.

Comparés aux agents conducteurs traditionnels, les agents conducteurs à nanotubes de carbone (CNT) et à graphène se distinguent par leur conductivité électrique supérieure ainsi que par la faible dose nécessaire. Les agents traditionnels tels que le noir de carbone, le graphite conducteur et le VGCF forment des réseaux conducteurs par contact ponctuel, contact en surface ou contact linéaire entre les particules du matériau actif. En revanche, les nanotubes de carbone et le graphène sont des matériaux conducteurs innovants qui établissent respectivement des réseaux par contact linéaire et par contact en surface.

En ce qui concerne le dosage, le niveau d'ajout d'un agent conducteur dépend du système électrochimique spécifique utilisé par le fabricant de la batterie, mais il varie généralement entre 1 % et 3 % du poids total de la cathode ou de l'anode. En comparaison, la quantité requise de poudre d'agent conducteur à base de nanotubes de carbone (CNT) représente seulement un sixième à la moitié de celle des agents traditionnels.

Alors que la demande du marché pour les batteries haute performance continue d'augmenter, associée à l'application de nouvelles technologies telles que les cathodes à haut taux de nickel et les anodes à base de silicium, dont la rentabilité s'améliore, la pénétration sur le marché des nanotubes de carbone (CNT) est appelée à connaître une croissance rapide. Les CNT peuvent améliorer globalement les performances des batteries en termes de densité énergétique, de durée de vie cyclique et de capacité de décharge, ce qui les rend parfaitement adaptés aux exigences des secteurs en aval.

1. Densité énergétique améliorée : Le dosage requis de CNTs n'est que de 1/6 à 1/2 celui du noir de carbone traditionnel. Cela permet ainsi de réduire efficacement la masse totale de l'électrode, augmentant par conséquent la proportion en masse du matériau actif et améliorant ainsi la densité énergétique de la batterie.

2. Durée de vie prolongée du cycle En raison de leur rapport d'aspect élevé, les nanotubes de carbone forment un réseau conducteur robuste avec le matériau de la cathode. Cela garantit des connexions solides entre les particules et empêche le matériau de se fissurer ou de se détacher, ce qui prolonge à son tour la durée de vie cyclique de la batterie.

3. Capacité de recharge rapide améliorée La excellente conductivité électrique des nanotubes de carbone réduit la polarisation de la batterie et renforce sa capacité de décharge rapide, améliorant ainsi les performances en matière de charge rapide.

4. Performances optimisées à haute et basse températures : La haute conductivité électrique des nanotubes de carbone réduit la résistance interne de l'électrode et diminue la génération de chaleur. De plus, leur conductivité thermique supérieure améliore les performances de la batterie à la fois à haute et à basse température, tout en renforçant sa sécurité globale.

Les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT), en tant que matériau conducteur émergent, présentent de larges perspectives d'application. Toutefois, la qualité de la dispersion des SWCNT constitue un facteur crucial qui influence considérablement les performances finales du matériau.

Pour relever ce défi, nous utilisons le moulin à trois rouleaux ZYTR-120E-450 afin d'obtenir une dispersion uniforme de ces matériaux. Le moulin à trois rouleaux ZYE exploite des forces de cisaillement intenses — générées par la compression, la contre-rotation et les vitesses différentes de ses trois rouleaux horizontaux — pour obtenir un effet de broyage et de dispersion. De plus, son contrôle précis de l'écartement permet une désagrégation efficace du matériau sans endommager sa morphologie superficielle.

Étude de cas :

Nom du client : SYHJ

Équipement utilisé : Moulin à trois rouleaux ZYTR-120E-450 (équipé de rouleaux en zircone), lame racleuse en céramique métallique, microscope optique Nikon

Matériau(s) utilisé(s) : Nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT).

Objectif : Obtenir une dispersion plus uniforme du matériau en le broyant à l'aide du moulin à trois rouleaux.

Procédé :

1. Le matériau pré-mélangé du client a été traité à l'aide du broyeur à trois rouleaux ZYTR-120E-450, en plusieurs passages.

2. Après le fraisage, un échantillon a été prélevé, dilué avec un solvant, puis observé au microscope.

Données expérimentales :

Le microscope a amplifié 400 fois.

Photographies de broyage :

Analyse des résultats :

On peut constater au microscope que l'agglomération du matériau, après broyage et dispersion effectués par le broyeur à trois rouleaux ZYTR-120E-450, est considérablement réduite.