Behovet for oppladbare litiumion-batterier øker stadig, og dette fører til at produsenter må oppfylle strenge krav til produksjonskrav og videre utvikling av batterier.
METTLER TOLEDOs omfattende portefølje med analytiske karakteriseringsløsninger for laboratoriet og automatiserte presisjonsvekter for produksjon, støtter utvikling av kvalitetssikrings- (QA) og kvalitetskontrollprosedyrer i produksjon av litiumion-batterier.
Våre innovative laboratorie- og industriløsninger støtter de ulike trinnene i verdikjeden innen litiumion-batterier – fra testing av råmaterialer og batterikomponenter til produksjon og endelig kvalitetskontroll.
Det stadig økende markedet for bærbare elektroniske enheter sammen med den raske revolusjonen innen elektriske kjøretøy, har ført til et like stort behov for oppladbare batterier. Litiumion-batterier (LIB-er) er det mest avanserte i denne teknologien. Denne batteritypen har høy energitetthet fordi de er lette og kraftige, god syklusvarighet fordi de kan lades flere ganger uten å miste mye energi for hver ladesyklus og de har lav utladingshastighet.
Litiumion-batteri-diagrammet illustrerer arbeidsprinsippet til et litiumion-batteri. LIB-er lagrer energi som frigjøres av en elektrokjemisk reaksjon mellom anode- og katodematerialet. Både katoden og anoden inneholder litiumioner med positiv ladning.
Under utladning gjør oksideringsreaksjonen i anoden at det frigjøres både elektroner og litium-kationer. Elektronene strømmer til katoden via en ekstern ledning. Den elektriske kretsen lukkes ved at litiumioner strømmer til katoden via elektrolyttvæsken og separatoren, der de rekombineres i en reduksjonsreaksjon.
Under lading reverseres reaksjonene og litiumionene strømmer i motsatt retning. Litiumionene forblir i oksideringstilstanden sin og tar ikke del i den totale elektrokjemiske reaksjonen.
Elektrolyttløsningene som ofte brukes i kommersielle litiumion-batterier består av organiske løsemidler (for det meste sykliske og lineære karbonater), litiumsalter og ulike tilsetningsstoffer. Elektrolytter og andre LIB-materialer må være fri for vann, fordi selv ørsmå mengder vann reagerer med elektrolytten og produserer aggressive biprodukter, inkludert fluorsyre, som reduserer batteriytelsen og sikkerheten. Ettersom vann har slik negativ innvirkning, må vanninnholdet i elektrolytten testes rutinemessig.
Coulometrisk Karl Fischer-titrering er den anbefalte metoden for nøyaktig og presis bestemmelse av vanninnhold. I tillegg til vann kan også det skadelige nedbrytningsproduktet, fluorsyre (HF), bestemmes i elektrolytten. Syre-base-titrering er dokumentert å være en nøyaktig og pålitelig metode for testing av HF-innholdet i batterielektrolytten.
Tettheten til en væske avhenger av dens molekylsammensetning. En rask tetthetsmåling ved bruk av en tetthetsmåler fra METTLER TOLEDO kan bidra til å påvise vannforurensning eller andre urenheter i en elektrolytt.
Differensialskanningskalorimetri (DSC) brukes under QC for å undersøke sammensetning og karbonatinnhold i elektrolyttløsninger, som har stor innvirkning på stabiliteten til lade-/utladningssyklusen, energitettheten og sikkerheten til litiumion-batterier. DSC gir også informasjon om elektrolyttsmelting og -krystallisering for bestemmelse av minimumstemperaturer for lade-/utladningsprosesser
Tilknyttede dokumenter
Ytelsen og sikkerheten til elektroden påvirkes i stor grad av aldring fremkalt av lading/utlading og degradering av det aktive katodematerialet.
Termiske analyseteknikker gir presise målinger av varmekapasitet, dekomposisjonstemperaturer og bestemmelse av entalpi, og de er viktige hjelpemidler i undersøkelser av termisk stabilitet for litiumion-batteri-karakterisering. For å få mer informasjon om nedbrytningskomponenter fra ett enkelt eksperimenter kan TGA eller TGA/DSC fra METTLER TOLEDO kombineres med et egnet gassanalysesystem for å utføre for eksempel Fourier transform infrared-spektroskopi, massespektroskopi, gasskromatografi-massespektroskopi eller mikrogasskromatografi-massespektroskopi.
På samme måte som for elektrolytten, inkluderer testing av katode og anode analysering av vanninnhold før komponentene brukes i batteriet. METTLER TOLEDOs automatiske prøvetaker InMotion KF-ovn varmer det faste stoffet til forhøyede temperaturer, trekker ut vannet og fører det til et koulometrisk Karl Fischer-titrator, der det påvises.
I tillegg kan titrering brukes til å bestemme metallinnhold (f.eks. kobolt, mangan, jern, nikkel) i katodematerialer samt teste materialet for urenheter slik som klorider, hydroksider og karbonater.
Tilknyttede dokumenter
Bruksmerknader:
Separatorer for litiumion-batterier har en avgjørende innvirkning på batteriytelsen, batteriets levetid samt batteriets pålitelighet og sikkerhet. Degradering av separatormaterialet er ofte årsaken til at en intern kortslutning fører til at en celle svikter. Derfor er det svært viktig å ha pålitelige metoder for separatortesting og -analysering.
Termisk analyse brukes til å karakterisere de termiske egenskapene til separatorer, som vanligvis er laget av polyolefiner som PP eller PE. Tekniske begrensninger, som f.eks. membraner, inkludert penetreringsbestandighet, krymping og nedsmelting. Disse egenskapene kan undersøkes ved bruk av termogravimetri (TGA), differensialskanningskalorimetri (DSC) og termomekanisk analyse (TMA)
Tilknyttede dokumenter
Veiledninger:
Fra startmaterialer til et produkt av høy kvalitet går et litiumion-batteri gjennom 25 produksjonstrinn, som legger grunnlaget for den kvaliteten og ytelsen som kreves. Veiing, inkludert bestemmelse av fuktinnhold, er avgjørende for å sikre ensartethet og sporbarhet gjennom hele produksjonskjeden.
Dyre råmaterialer representerer opptil 60 % av den totale kostnaden for celleproduksjon. Veiing er den mest nøyaktige metoden for å oppfylle høye prosesstoleranser for ensartethet i formuleringer og for å unngå kostbart svinn.
Etter at elektrodene har blitt stablet, er veiing løsningen for påfylling av elektrolytter. Selv om det er mulig å styre elektrolyttflowen, kan nøyaktigheten til veieenheter med høy nøyaktighet sikre 100 % kvalitetskontroll.
Manglende eller skjulte deler som ved et uhell kan falle ned i modulen og føre til brann og ødelegge den. Dette kan unngås ved å bruke en vekt med høy oppløsning for kontroll av fullstendighet, som til og med eliminerer deteksjonsproblemer knyttet til blanke overflater.
Siden innholdet av fast stoff i elektrodeslurrier påvirker kvaliteten på belegget og således kvaliteten på elektroden, er det avgjørende å ha streng kontroll av fast stoff og henholdsvis fuktinnhold under elektrodeproduksjon. Dette kan gjøres raskt og enkelt med en halogentørkevekt.
Tilknyttede dokumenter
Batteriytelse avhenger i stor grad om renheten til aktive katodematerialer (CAM) og partikkelstørrelsen til forløpermaterialet, PCAM.
Under utfelling/krystallisering er det vært viktig å ha kontinuerlig kontroll av pH-en under prosessen for å påvirke morfologien og distribusjonen av PCAM-partiklene. Prosessvariabiliteten kan føre til betydelig endring av morfologiprofilen, og er derfor ikke ønskelig. Nøyaktig intern pH-måling er en forutsetning for å opprettholde ensartede prosesser.
PCAM-utfelling (metallhydroksider) kan skape belegg på prosessensorer og fører til unøyaktige målinger.
METTLER TOLEDOs intelligente pH-sensor for prosesser, InPro 4260i, er skreddersydd for PCAM-produksjonsprosesser med høye konsentrasjoner av suspenderte faste stoffer. Kombinert med det automatiske rengjøringssystemet EasyClean 200, tilbyr METTLER TOLEDO den ultimate måleløsningen for pålitelig pH-kontroll under PCAM-prosesser.
Reaktoren krever lavt oksygennivå for å unngå oksidering av PCAM. InPro 6850i er METTLER TOLEDO oksygensensor med lite fotavtrykk, for måling på stedet, som måler nøyaktige oksygennivåer over reaktoren og muliggjør rask kontroll av inert gass.
Tilknyttede dokumenter
Nettseminarer:
Veiledning: Livssyklus for litiumionbatterier
Sørg for ytelse og sikkerhet langs batteriverdikjeden: Optimaliser prosesser og utnytt høy presisjon for å sikre batteriytelse og sikkerhet.
Instrumenter
Spørsmål og svar
Hva er testing av litiumion-batterier, og hvordan fungerer det?
- Hvilke fordeler har litiumion-batterier?
- Hvilken levetid har litiumion-batterier?
- Hva er sikker driftstemperatur for litiumion-batterier?
- Hvilken innvirkning har vann inni et litiumion-batteri?
- Hvilke batterikomponenter må testes for vann?
- Skal elektrolytten testes for både vann og fluorsyre før den fylles på batteriet?
- Hva er anbefalt metode for testing for vann i elektrolytten?
- Hvilken metode anbefales for testing av fast stoff-katoden, anoden og separatoren for vann?
- Skal tettheten til elektrolytten sjekkes?
- Hvordan kan termisk analyse bidra til undersøkelse av sikkerheten til litiumion-batterier?
- Hvordan kan syntesen av grafenanodematerialet undersøkes ved bruk av samtidig termisk analyse?
- Hvorfor er separatornedstenging viktig, og hvordan kan dette undersøkes?
- Kan aggressive materialer skade måleinstrumentet som brukes til å formulere en slurrybatch?
- Hvordan kalibrerer jeg en industriell vekt på maskineriet og produksjonssystemet mitt?
- Hva er fordelen med vektbasert elektrolyttfylling?
- Hvor nøyaktig kan du måle elektrolyttfyllingsprosessen?
- Kan jeg påvise skjulte deler i batterimoduler med en industriell vekt?
- Hvorfor er nøyaktig pH-kontroll i prosesser viktig under PCAM-produksjon?
- Hvordan kan jeg unngå PCAM-nedbrytning i krystallisatorer?
- Under PCAM-kalsinering, hvordan kan jeg være sikker på at oksygenkonsentrasjonen er på ønsket nivå?
1. Hvilke fordeler har litiumion-batterier?
Litiumion-batterier kan lades flere hundre ganger og er mer stabile. De har ofte høyere energitetthet, spenningskapasitet og lavere utladningshastighet enn andre oppladbare batterier.
2. Hvilken levetid har litiumion-batterier?
Typisk levetid for et litiumion-batteri er to til tre år, eller 300 til 500 ladesykluser, avhengig av hva som kommer først.
3. Hva er sikker driftstemperatur for litiumion-batterier?
Litiumion-batterier yter optimalt når de lades mellom 0 og 45 °C. Optimal utladingstemperatur er mellom -20 og 60 °C.
4. Hvilken innvirkning har vann inni et litiumion-batteri?
Vannet inni et litiumion-batteri reagerer med elektrolytten for å danne nedbrytningsprodukter som fluorsyre (HF). Disse kjemikaliene fører til en degradering av elektrodene, forstyrrer den totale funksjonen og reduserer kapasiteten. I tillegg kan vann føre til et scenario med termisk rømling, som kan føre til at batteriet eksploderer.
5. Hvilke batterikomponenter må testes for vann?
Alle batterikomponenter må testes for vann før de bygges inn i batteriet. Alle komponenter som er i kontakt med hverandre via elektrolyttvæsken.
6. Skal elektrolytten testes for både vann og fluorsyre før den fylles på batteriet?
Fluorsyre (HF) er kjent for å ha negativ innvirkning på batteriets ytelse. Den dannes gjennom en reaksjon mellom elektrolytten og vann. Denne reaksjonen kan finne sted inni et batteri, men kan også finne sted under produksjon av elektrolytten. Derfor er det viktig at elektrolytten ikke bare testes for vann, men også at det testes for fluorsyre før det fylles oppi batterihuset.
7. Hva er anbefalt metode for testing for vann i elektrolytten?
Coulometrisk Karl Fischer (KF)-titrering er den anbefalte metoden for nøyaktig og presis bestemmelse av lavt vanninnhold i prøver som f.eks. elektrolytter. Analysen er rask og pålitelig, og den krever ingen som helst prøvepreparering. Elektrolytten injiseres inn i titreringsbeholderen og resultatet er klart etter –2 minutter.
8. Hvilken metode anbefales for testing av fast stoff-katoden, anoden og separatoren for vann?
Prøver av faste stoffer kan ikke injiseres direkte inn i et Karl Fischer-titreringsbeholder. Vannet må først ekstraheres av en ekstraksjonsovn for gassfase. InMotion KF-ovnen varmer automatisk opp fast stoff-prøven til forhøyede temperaturer, og en strøm av tørt nitrogen frakter vannet som fordampes til den koulometriske titreringscellen, der det påvises. Analysen er helautomatisk. Elektrolytten fylles opp i hetteglassene og metoden startes ved bruk av OneClick™.
9. Skal tettheten til elektrolytten sjekkes?
Tettheten til en væske avhenger av dens sammensetning. Vann og andre urenheter endrer tettheten til elektrolytten. En rask tetthetsmåling av elektrolytten kan avdekke kontaminasjoner og dårlig kvalitet..
10. Hvordan kan termisk analyse bidra til testing av sikkerheten til litiumion-batterier?
Termogravimetrisk analyse (TGA) og differensialskanningskalorimetri (DSC) er nyttige verktøy for undersøkelser av den termiske stabiliteten og dekomposisjonsprofilen til de ulike batterikomponentene. Termisk rømling i batteriet kan også undersøkes i både vanlige og ekstreme situasjoner..
11. Hvordan kan syntesen av grafenanodematerialet undersøkes ved bruk av samtidig termisk analyse?
En enkel og rimelig måte å anskaffe grafen på, er å redusere grafenoksid, som enkelt kan anskaffes fra grafitt. Den trinnvise reduksjonen av grafenoksid kan enkelt følges av TGA/DSC..
12. Hvorfor er separatornedstenging viktig, og hvordan kan dette undersøkes?
Av sikkerhetshensyn er det viktig at separatoren stenges ned (dvs. lukking av porer) før smelting inntreffer. Dette kan bekreftes av termomekanisk analyse (TMA), som karakteriserer krympe- og smelteadferden til separatormembranen..
13. Kan aggressive materialer skade måleinstrumentet som brukes til å formulere en slurrybatch?
Veiemoduler og lastceller installeres vanligvis utenfor en tank eller blander slik at måleinstrumentet ikke har direkte kontakt med varme, kalde, aggressive eller eksplosjonsfarlige materialer. I tillegg er disse sensorene nøyaktige uavhengig av fasong, overflate, di-elektrisitet, Reynolds-nummer, viskositet eller andre materialegenskaper..
14. Hvordan kalibrerer jeg en industriell vekt på maskineriet og produksjonssystemet mitt?
Lastcellene og veiemodulene som er integrert i maskinerier og produksjonssystemer er viktige komponenter som må fungere sikkert og nøyaktig. METTLER TOLEDO tilbyr skreddersydde kalibreringstjenester for tankvekter av enhver kapasitet for å sikre jevnt resultat og pålitelig drift. Disse tjenestene inkluderer, testloddkalibrering, testlodd og kalibrering av substitusjonsmateriale, RapidCal™ hydraulisk kalibrering og CalFreePlus loddfri kalibrering med POWERCELL®.
15. Hva er fordelen med vektbasert elektrolyttfylling?
Fylling av elektrolytt direkte øverst på veieenheten muliggjør en lukket sløyfe mellom sensoren og fylleenheten. Dette betyr at du konstant kan justere fylleenheten under full produksjon, eliminere usikkerhetsfaktorer og garantere ensartet battericellekvalitet.
16. Hvor nøyaktig kan du måle elektrolyttfyllingsprosessen?
Når du skal velge veieteknologi for elektrolyttfylling, må viktige parametere som lesbarhet, repeterbarhet og sensitivitet ha høyeste prioritet. Det viktigste av alt er at du ikke bruker oppløsning som det eneste valgkriteriet, fordi dette alene kan ikke garantere stabile resultater eller høy kvalitet.
17. Kan jeg påvise skjulte deler i batterimoduler med en industriell vekt?
Det er mulig å utføre såkalt tara- og bruttovektkontroll på slutten av byggingen av batterimodulen. Med denne prosedyren kan du sjekke om alle produkter er på plass i modulen og kontrollere at ingenting har falt oppi modulen under bygging. Veiingen påvirkes heller ikke av blanke aluminiumsoverflater.
18. Hvorfor er nøyaktig pH-kontroll i prosesser viktig under PCAM-produksjon?
pH under prosessen har direkte innvirkning på partikkelstørrelsen og morforlogien og er derfor ansvarlig for batteriytelsen og lading/utladning.
19. Hvordan kan jeg unngå PCAM-nedbrytning i krystallisatorer?
Tilstedeværelsen av oksygen i reaktorer under PCAM-syntese kan lett føre til dannelse av uønskede NCM-oksider; Derfor er det viktig å opprettholde en inert atmosfære i reaktorhodet. Kontinuerlig, in situ oksygenmåling gir umiddelbar varsling om luftinntrengning eller utilstrekkelig nitrogenteppelegging.
20. Under PCAM-kalsinering, hvordan kan jeg være sikker på at oksygenkonsentrasjonen er på ønsket nivå?
Måling av O2 i en PCAM-kalsiners ventilasjonslinje er vanskelig på grunn av høye temperaturer, fuktighet og støv. GPro 500 in situ (eller i ekstraksjonskonfigurasjon) oksygenanalysator tåler slike forhold og gir nøyaktige målinger for rask prosesskontroll.