Momenteel neemt de vraag naar lithium-ionbatterijen toe. Van smartphones tot laptops en elektrische auto's vormen deze batterijen het hart van ons dagelijks leven.
Het productietraject van hoogwaardige lithium-ionbatterijen begint met de productie van actief kathodemateriaal, of beter gezegd, het precursor actief kathodemateriaal (PCAM). Een belangrijk element in de PCAM-productie is pH-regeling, en een goede pH-regeling kan het verschil maken.
Laten we eens kijken waarom pH-waarden zo cruciaal zijn bij de productie van PCAM. De kwaliteit van het kathode-actieve materiaal hangt af van de morfologie (grootte, vorm en structuur) van de CAM-deeltjes, omdat deze direct van invloed is op de energiedichtheid van de batterij en hoe snel de batterij wordt opgeladen en ontladen.
De morfologie van CAM-deeltjes is afhankelijk van de morfologie van PCAM-deeltjes, en als de groottes en vormen van de deeltjes niet precies goed zijn, krijgt u mogelijk een batterij die minder goed presteert of zelfs defect raakt.
Het handhaven van een zeer strikte pH-regeling tijdens PCAM-productie is essentieel om de specifieke deeltjesgroottes te bereiken die ervoor zorgen dat de batterijen, en uiteindelijk de auto's en apparaten die we nodig hebben, efficiënt en betrouwbaar zijn.
De afbeelding (H. Muramatsu; D. Endo; T. Sasaki) toont hoe pH de deeltjesgrootte-distributie beïnvloedt.
Hier wordt het echt interessant: de kwaliteit van lithium-ionbatterijen hangt af van hoe goed we onze pH-regeling handhaven. Zelfs een kleine verandering van de pH – bijvoorbeeld 0,2 pH-eenheden – kan leiden tot aanzienlijke verschillen in de prestatie van de batterij.
Een betrouwbare, goed onderhouden pH-sensor zorgt ervoor dat de juiste deeltjesgrootte en morfologie worden bereikt, wat direct leidt tot een betere lading, ontlading en algehele levensduur van de batterij.
De deeltjesgrootte van PCAM heeft een aanzienlijke invloed op de prestatie van lithium-ionbatterijen. Kleinere deeltjes bieden een groter oppervlak en een snellere diffusie van lithium-ionen, waardoor de bruikbare capaciteit en laadsnelheid worden verbeterd. Ze kunnen echter ook nevenreacties verhogen en de cyclische levensduur verkorten als gevolg van oppervlakte-instabiliteit. Grotere deeltjes verhogen de stampdichtheid en energiedichtheid, maar kunnen de lithiummobiliteit beperken, waardoor de prestatie bij hoge snelheden afneemt.
Een optimale PCAM-deeltjesgrootte brengt energiedichtheid, cyclische levensduur en bruikbare capaciteit in balans. Aanpassing van deze parameter is cruciaal voor toepassingen variërend van elektrische voertuigen tot draagbare elektronica, waarbij zowel efficiëntie als duurzaamheid essentieel zijn voor de batterijprestatie op de lange termijn.
Hoewel het belang van een nauwkeurige pH-regeling duidelijk is in de PCAM-productie, ondervinden veel producenten tijdens het productieproces een aantal aanzienlijke uitdagingen. Ten eerste zijn veel van de reactoren die in dit proces worden gebruikt, gebaseerd op ontwerpen uit de jaren 90. Dit betekent dat ze vaak worden geleverd met verouderde pH-sensorconstructies die vanaf de bovenkant van de reactor of kristallisator zijn gemonteerd. Dit ontwerp zorgt voor een aantal problemen:
De productie en verfijning van PCAM omvat enkele zeer kritische processtappen. Deze on-demand webinar bespreekt de vitale rol van pH en enkele andere belangrijke procesvariabelen bij het bepalen van de PCAM-kwaliteit en de productie van li-ionbatterijen.
Hoe moeten producenten deze uitdagingen dan aangaan? Hier volgen enkele suggesties:
Terwijl pH-sensoren met een keramisch referentiemembraan snel uitvallen als gevolg van snelle verstopping van de microscopische poriën van het membraan, maakt de vaste-polymeer-referentie-elektrolyt van de InPro 4260i een open junction mogelijk die minder gevoelig is voor verstopping omdat deze veel groter is dan de microscopische poriën in een keramisch membraan. In zekere mate is deze zelfs zelfreinigend in geagiteerde processen. Na langere procesruns biedt deze een veel betere reinigbaarheid en worden kalkaanslag en materiaalophopingen eenvoudig van de junction verwijderd.
Deze sensoren leveren realtime prestatiegegevens, zodat onderhoud kan worden uitgevoerd op basis van de werkelijke behoeften in plaats van een opgesteld schema. Deze volledig voorspellende aanpak helpt onnodig onderhoud te voorkomen zonder het risico dat zich processtoringen voordoen.
Dit is van grote waarde voor de toewijzing van personeel en tijdige bestellingen van verbruiksonderdelen.
Met deze systemen hoeven operators alleen maar af en toe reinigingsoplossingen bij te vullen, waardoor ze meer tijd hebben voor taken die complexer zijn. Tegelijkertijd worden sensoren in de beste staat gehouden en wordt de totale meetprestatie gemaximaliseerd.
METTLER TOLEDO heeft een intrekbare, aan de zijkant gemonteerde en volledig geautomatiseerde oplossing ontwikkeld. De EasyClean 500 trekt de pH-sensor automatisch uit het proces, en spoelt en reinigt deze, en herkalibreert deze zelfs, indien nodig.
"Onderhoud is volledig geautomatiseerd, zodat technici alleen de reinigingszuur- en bufferoplossingen hoeven bij te vullen voor kalibratie", zegt Stefan van der Wal. Dankzij de HART-transmitter met lusvoeding biedt de EasyClean 500 meerdere programmaopties, zodat sensoren automatisch kunnen worden gespoeld, gereinigd of gekalibreerd wanneer dat nodig is, of onderhoud op afstand kan worden uitgevoerd vanuit de controlekamer via het gedistribueerde besturingssysteem (DCS).
Gebruikers kunnen het systeem ook opdracht geven om de sensor in te trekken voor verificatie op afstand om ervoor te zorgen dat de sensor een nauwkeurige meting levert. "Eerlijk gezegd, zegt Stefan, is EasyClean 500 een belangrijke stap voorwaarts naar hoogwaardig actief kathodemateriaal."
Stefan van der Wal heeft een graad in industrieel management en chemische techniek. Hij heeft meer dan 25 jaar ervaring op het gebied van procesinstrumentatie en vloeistof- en gasanalyse in de procesindustrie.
Als hoofd van de Industry Marketing Department bij METTLER TOLEDO Process Analytics heeft Stefan overleg gepleegd met 's werelds grootste chemische en raffinagebedrijven over de beste werkmethoden voor industriële procesregeling. Hij is sterk betrokken bij toepassingstechniek en productontwikkeling en is de kracht achter het ontwerp en de commercialisering van verschillende revolutionaire nieuwe producten en technologieën op het gebied van procesanalyse.
Leer hoe een geautomatiseerd reinigingssysteem voor pH-sensoren bijdraagt aan een verbeterde batterijprestatie.
In deze Vraag het de Expert legt Stefan van der Wal uit hoe voor de productie van lithium-ionbatterijen de innovatieve oplossing van METTLER TOLEDO voor pH-meting conventionele beperkingen overwint.
Nu we de uitdagingen aangaan waar we voor staan bij de pH-regeling voor de productie van lithium-ionbatterijen is het van cruciaal belang dat producenten hun strategieën en het ontwerp van hun procesapparatuur heroverwegen. Door innovatieve sensortechnologieën en geautomatiseerde onderhoudsoplossingen te implementeren, kunnen producenten de productie-efficiëntie en productkwaliteit aanzienlijk verbeteren.
De weg naar productie van hoog presterende batterijen kan hobbels hebben, maar met de juiste tools kunt u de weg vooruit effenen.
Bent u geïnteresseerd in de wereld van intelligente pH-meting en geautomatiseerde onderhoudsoplossingen die uw processen kunnen verbeteren? Bekijk dan vandaag nog de nieuwste ontwikkelingen.
Lees meer over alle oplossingen voor karakterisering, productie en tests van batterijen.
