Popyt na akumulatory litowo-jonowe szybko rośnie, w związku z czym producenci muszą sprostać wysokim wymaganiom dotyczącym jakości produkcji i dalszego rozwoju baterii.
Szeroka oferta METTLER TOLEDO w zakresie rozwiązań do charakteryzacji analitycznej dla laboratorium oraz automatycznych wag precyzyjnych dla produkcji, wspiera procedury zapewnienia jakości (QA) rozwoju i kontroli jakości (QC) produkcji baterii litowo-jonowych.
Nasze innowacyjne rozwiązania laboratoryjne i przemysłowe wspierają różne etapy łańcucha wartości baterii litowo-jonowych - od badania surowców i komponentów baterii, po produkcję i końcową kontrolę jakości.
Wciąż rosnący rynek przenośnych urządzeń elektronicznych, wraz z coraz szybszym tempem rewolucji pojazdów elektrycznych, spowodował równie duże zapotrzebowanie na akumulatory. Najnowocześniejsze w tej technologii są akumulatory litowo-jonowe (LIB). Ten typ baterii wykazuje wysoką gęstość energii, ponieważ jest lekki, a jednocześnie mocny, dobrą trwałość cyklu, ponieważ może być ładowany i ładowany bez utraty dużej ilości energii w każdym cyklu, a także niski wskaźnik samorozładowania.
Schemat baterii litowo-jonowej ilustrujący zasadę jej działania. LIB-y przechowują energię, która uwalniana jest w wyniku reakcji elektrochemicznej pomiędzy materiałem anody i katody. Zarówno katoda jak i anoda zawierają dodatnio naładowane jony litu.
Podczas rozładowania, reakcja utleniania na anodzie uwalnia elektrony i kationy litu. Elektrony przepływają przez zewnętrzny przewód do katody. Aby zamknąć obwód elektryczny, kationy litu przepływają przez ciekły elektrolit i separator do katody, gdzie rekombinują w reakcji redukcji.
Podczas ładowania reakcje na elektrodach są odwrócone i jony litu płyną w przeciwnym kierunku. Jony litu nie biorą udziału w ogólnej reakcji elektrochemicznej i pozostają w swoim stanie utlenienia.
Roztwory elektrolityczne powszechnie stosowane w komercyjnych bateriach litowo-jonowych składają się z rozpuszczalników organicznych (głównie cyklicznych i liniowych węglanów), soli litu i różnych dodatków. Elektrolity i inne materiały do produkcji baterii litowo-jonowych muszą być wolne od wody, ponieważ nawet śladowe ilości reagują z elektrolitem tworząc agresywne produkty uboczne, w tym kwas fluorowodorowy, który zagraża wydajności i bezpieczeństwu baterii. Ponieważ woda ma tak zły wpływ, zawartość wody w elektrolicie musi być badana rutynowo.
Kulometryczne miareczkowanie Karla Fischera jest metodą z wyboru do precyzyjnego i dokładnego oznaczania zawartości wody w elektrolicie. W elektrolicie można oznaczyć nie tylko wodę, ale także sam szkodliwy produkt degradacji, kwas fluorowodorowy (HF). Miareczkowanie kwasowo-zasadowe okazało się dokładną i niezawodną metodą badania zawartości HF w elektrolicie baterii.
Gęstość cieczy zależy od jej składu molekularnego. Szybkie sprawdzenie gęstości za pomocą miernika METTLER TOLEDO Gęstościomierz może pomóc w ujawnieniu zanieczyszczenia elektrolitu wodą lub innymi zanieczyszczeniami.
Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) jest wykorzystywana w QC do badania składu i zawartości węglanów w roztworach elektrolitycznych, które mają istotny wpływ na stabilność cykliczną, gęstość energii i bezpieczeństwo baterii litowo-jonowych. DSC dostarcza również informacji o topnieniu i krystalizacji elektrolitu w celu określenia minimalnych temperatur dla procesów ładowania/rozładowania.
Dokumenty powiązane
Białe księgi:
Przewodniki:
Uwagi dotyczące stosowania:
Na wydajność i bezpieczeństwo elektrod duży wpływ ma wywołane ładowaniem/wyładowaniem starzenie i degradacja materiału aktywnego katody.
Zapewniając precyzyjne pomiary pojemności cieplnej, temperatury rozkładu i określenie entalpii, techniki analizy termicznej są podstawową pomocą w badaniach stabilności termicznej dla charakterystyki baterii litowo-jonowej. Aby uzyskać więcej informacji na temat składników degradacji z jednego eksperymentu, urządzenia TGA lub TGA/DSC można podłączyć do odpowiedniego systemu analizy gazu w celu wykonania, na przykład, spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera, spektroskopii masowej, chromatografii gazowej ze spektroskopią masową lub mikrochromatografii gazowej ze spektroskopią masową.
Podobnie jak w przypadku elektrolitu, badanie katody i anody obejmuje analizę zawartości wody przed zastosowaniem komponentów w baterii. Urządzenie firmy METTLER TOLEDO InMotion KF Oven Autosampler podgrzewa materiał stały do podwyższonej temperatury, wyciąga z niego wodę i kieruje do Koulometryczny titrator Karla Fischera, gdzie jest ona wykrywana.
Ponadto miareczkowanie może być stosowane do określania zawartości metali (np. kobaltu, managenu, żelaza, niklu) w materiale katodowym, jak również do badania materiału pod kątem zanieczyszczeń, takich jak chlorki, wodorotlenki i węglany.
Dokumenty powiązane
Białe księgi:
Przewodniki:
Application notes:
Separatory do akumulatorów Li-ion mają kluczowy wpływ na ich wydajność, żywotność, a także niezawodność i bezpieczeństwo. Na przykład, degradacja materiału separatora jest często główną przyczyną wewnętrznego zwarcia prowadzącego do awarii ogniwa. Dlatego niezawodne metody testowania i analizy separatorów są bardzo ważne.
Analiza termiczna jest stosowana do charakteryzowania właściwości termicznych separatorów, zwykle wykonanych z poliolefin takich jak PP lub PE. Ograniczenia technologiczne takich membran obejmują odporność na przenikanie, kurczenie i topnienie. Właściwości te mogą być badane za pomocą Termograwimetria (TGA), Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) i Analiza termomechaniczna (TMA).
Dokumenty powiązane
Przewodniki:
Od materiałów wyjściowych do wysokiej jakości produktu, akumulator litowo-jonowy musi przejść przez nawet 25 etapów produkcji, które stanowią podstawę dla wymaganej jakości i wydajności. Ważenie, w tym określanie zawartości wilgoci, jest kluczowe dla zapewnienia spójności i identyfikowalności w całym łańcuchu produkcyjnym.
Drogie surowce stanowią do 60% całkowitych kosztów produkcji ogniw. Ważenie jest najdokładniejszą metodą spełnienia wysokich tolerancji procesowych dla spójności w formulacji i unikania kosztownych odpadów.
Po ułożeniu elektrod w stos, ważenie jest rozwiązaniem dla napełniania elektrolitem. Nawet jeśli możliwe jest kontrolowanie przepływu elektrolitu, dokładność urządzeń ważących o wysokiej precyzji może zapewnić 100% kontrolę jakości.
Brakujące lub ukryte części, które mogą przypadkowo wpaść do modułu mogą spowodować pożar i zniszczyć go. Można temu zapobiec poprzez zastosowanie wysokiej rozdzielczości wagi do kontroli kompletności, która eliminuje nawet problemy z wykrywaniem związane z błyszczącymi powierzchniami.
Ponieważ zawartość części stałych w zawiesinach elektrod wpływa na jakość powłoki, a tym samym na wydajność elektrody, ścisła kontrola zawartości części stałych i wilgoci podczas produkcji elektrod jest krytyczna. Można to zrobić szybko i łatwo za pomocą halogenowego analizatora wilgotności.
Dokumenty powiązane
Uwagi dotyczące stosowania:
Pomiar wilgotności w akumulatorach litowo-jonowych
Oznaczanie wody w NMP według gęstości
Ważenie laboratoryjne w branży akumulatorów litowo-jonowych
Studia przypadków:
Wydajność baterii zależy w dużym stopniu od czystości materiału aktywnego katody (CAM) i wielkości cząstek materiału prekursora, PCAM.
Podczas wytrącania/krystalizacji, ciągła kontrola czystości materiału aktywnego katody (CAM) i wielkości cząstek materiału prekursora, PCAM. Podczas wytrącania/krystalizacji, ciągła kontrola pH procesu jest bardzo ważna, aby wpłynąć na morfologię i rozkład cząstek PCAM. Zmienność procesu może dramatycznie zmienić profil morfologii i dlatego jest niepożądana. Dokładny pomiar pH na linii produkcyjnej jest warunkiem koniecznym do utrzymania spójności procesu.
Wytrącanie PCAM (wodorotlenki metali) może skalować się na czujnikach procesowych i powoduje dryf pomiaru.
Inteligentny procesowy czujnik pH METTLER TOLEDO InPro 4260i jest dostosowany do procesów produkcji PCAM o wysokim stężeniu zawiesin. W połączeniu z automatycznym systemem czyszczącym EasyClean 200 METTLER TOLEDO oferuje ostateczne rozwiązanie pomiarowe dla niezawodnej kontroli pH w procesach PCAM.
Reaktor wymaga niskiego poziomu tlenu, aby uniknąć utleniania PCAM. Czujnik tlenu in-situ InPro 6850i to czujnik tlenu in-situ METTLER TOLEDO o niewielkich wymiarach, który dokładnie mierzy poziom tlenu w przestrzeni czołowej reaktora i umożliwia szybką kontrolę gazu obojętnego.
Dokumenty powiązane
Przewodnik: Cykl życia baterii litowo-jonowej
Zapewnienie wydajności i bezpieczeństwa w całym łańcuchu wartości akumulatorów: Zoptymalizuj procesy i wykorzystaj wysoką precyzję, aby zapewnić wydajność i bezpieczeństwo akumulatorów.
Instrumenty
FAQ
Co to jest testowanie baterii litowo-jonowych i jak to działa?
Wybierz interesujące Cię pytanie:
- Jaka jest zaleta baterii litowo-jonowych?
- Jaka jest żywotność baterii litowo-jonowej?
- Jaka jest bezpieczna temperatura pracy dla baterii litowo-jonowej?
- Jaki jest wpływ wody wewnątrz baterii litowo-jonowej?
- Które elementy baterii muszą być testowane na obecność wody?
- Czy elektrolit powinien być testowany zarówno na obecność wody, jak i kwasu fluorowodorowego przed napełnieniem go w akumulatorze?
- Jaka jest wybrana metoda testowania elektrolitu na obecność wody?
- Jaka metoda jest zalecana do badania katody stałej, anody i separatora na obecność wody?
- Czy należy sprawdzić gęstość elektrolitu?
- Jak analiza termiczna może przyczynić się do badania bezpieczeństwa baterii litowo-jonowych?
- Jak można zbadać syntezę grafenowego materiału anodowego za pomocą jednoczesnej analizy termicznej?
- Dlaczego wyłączenie separatora jest ważne i jak można je zbadać?
- Czy agresywny materiał może uszkodzić urządzenie pomiarowe używane do tworzenia partii zawiesiny?
- Jak skalibrować wagę przemysłową w systemie maszynowym i produkcyjnym?
- Jakie są korzyści z wypełnienia elektrolitem na podstawie wagi?
- Jak dokładnie można zmierzyć proces napełniania elektrolitem?
- Czy mogę wykryć ukryte części w modułach baterii za pomocą skali przemysłowej?
- Dlaczego dokładna kontrola pH procesu jest ważna podczas produkcji PCAM?
- Jak mogę uniknąć degradacji PCAM w krystalizatorach?
- Jak mogę się upewnić, że stężenie tlenu jest na wymaganym poziomie podczas kalcynacji PCAM?
1. Jaka jest zaleta baterii litowo-jonowych?
Baterie litowo-jonowe mogą być ładowane setki razy i są bardziej stabilne. Mają zwykle większą gęstość energii, pojemność napięciową i niższy współczynnik samorozładowania niż inne akumulatory.
2. Jaka jest żywotność baterii litowo-jonowej?
Typowa żywotność baterii litowo-jonowej wynosi około dwóch do trzech lat lub 300 do 500 cykli ładowania, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej.
3. Jaka jest bezpieczna temperatura pracy dla baterii litowo-jonowej?
Baterie litowo-jonowe działają optymalnie, gdy są ładowane w temperaturze od 0°C do 45°C. Optymalna temperatura rozładowania wynosi od -20 °C do 60 °C.
4. Jaki jest wpływ wody wewnątrz baterii litowo-jonowej?
Woda wewnątrz baterii litowo-jonowej reaguje z elektrolitem, tworząc szkodliwe produkty, takie jak kwas fluorowodorowy (HF). Te substancje chemiczne prowadzą do degradacji elektrod, zakłócają ogólną funkcjonalność i ostatecznie obniżają pojemność. Ponadto, woda może prowadzić do scenariusza termicznego runaway, co prowadzi do eksplozji akumulatora.
5. Które komponenty baterii muszą być testowane na obecność wody?
Wszystkie komponenty baterii muszą być przetestowane na obecność wody zanim zostaną wbudowane w baterię. Wszystkie komponenty, które mają ze sobą kontakt poprzez ciekły elektrolit.
6. Czy elektrolit powinien być testowany zarówno na obecność wody, jak i kwasu fluorowodorowego przed napełnieniem go do akumulatora?
Kwas fluorowodorowy (HF) jest znany z tego, że ma zły wpływ na działanie akumulatora. Powstaje on w wyniku reakcji elektrolitu z wodą. Reakcja ta może zachodzić wewnątrz akumulatora, ale także podczas produkcji elektrolitu. Dlatego tak ważne jest, aby przed napełnieniem obudowy akumulatora elektrolit był sprawdzany nie tylko pod kątem obecności wody, ale także samego HF.
7. Jaka jest metoda z wyboru do badania elektrolitu na obecność wody?
Kulometryczne miareczkowanie Karla Fischera (KF) jest metodą z wyboru do określenia niskiej zawartości wody w próbkach takich jak elektrolity. Analiza jest szybka, wiarygodna i nie wymaga w ogóle przygotowania próbki. Próbka elektrolitu jest wstrzykiwana do naczynia miareczkującego, a wynik otrzymuje się po -2 minutach.
8. Która metoda jest zalecana do badania stałej katody, anody i separatora na obecność wody?
Próbki stałe nie mogą być bezpośrednio wstrzykiwane do naczynia do miareczkowania Karla Fischera. Tak więc, piec do ekstrakcji fazy gazowej jest potrzebny, aby najpierw wyodrębnić wodę. Piec InMotion KF automatycznie podgrzewa próbkę stałą do podwyższonej temperatury, a strumień suchego azotu przenosi odparowaną wodę do celi miareczkowania kulometrycznego, gdzie jest ona wykrywana. Analiza jest w pełni zautomatyzowana. Elektroda jest umieszczana w fiolkach, a metoda jest uruchamiana przez OneClick™.
9. Czy należy sprawdzić gęstość elektrolitu?
Gęstość cieczy zależy od jej składu. Woda i inne zanieczyszczenia zmieniają gęstość elektrolitu. Szybkie sprawdzenie gęstości elektrolitu może ujawnić zanieczyszczenia i złą jakość.
10. Jak analiza termiczna może przyczynić się do badania bezpieczeństwa baterii litowo-jonowych?
Analiza termograwimetryczna (TGA) i różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) są cennymi narzędziami do określenia stabilności termicznej i profilu rozkładu różnych składników baterii. Można również zbadać przebieg termiczny baterii zarówno w sytuacjach normalnych, jak i ekstremalnych.
11. Jak można zbadać syntezę grafenowego materiału anodowego za pomocą jednoczesnej analizy termicznej?
Prostą i niedrogą drogą do otrzymania grafenu jest redukcja tlenku grafenu, który można łatwo otrzymać z grafitu. Stopniowa redukcja tlenku grafenu może być łatwo śledzona za pomocą TGA/DSC.
12. Dlaczego wyłączenie separatora jest ważne i jak można je zbadać?
Dla bezpieczeństwa ważne jest, aby separator wyłączył się (tzn. zamknął pory) przed rozpoczęciem topnienia. Można to potwierdzić za pomocą analizy termomechanicznej (TMA), która charakteryzuje kurczenie się i topnienie membrany separatora.
13. Czy agresywny materiał może zaszkodzić urządzeniu pomiarowemu używanemu do formowania partii zawiesiny?
Moduły wagowe i ogniwa obciążnikowe są zwykle instalowane na zewnątrz zbiornika lub mieszalnika, dzięki czemu urządzenie pomiarowe nie ma bezpośredniego kontaktu z gorącymi, zimnymi, agresywnymi lub wybuchowymi materiałami. Ponadto, czujniki te są dokładne niezależnie od kształtu, powierzchni, Di-Electricity, Reynolds Number, lepkości lub jakichkolwiek innych cech materiału.
14. Jak skalibrować wagę przemysłową w maszynie i systemie produkcyjnym?
Celowniki wagowe i moduły wagowe zintegrowane z maszynami i systemami produkcyjnymi to kluczowe elementy, które muszą działać bezpiecznie i dokładnie. METTLER TOLEDO oferuje usługi kalibracji dostosowane do każdej pojemności, aby pomóc w zapewnieniu spójnych wyników i niezawodnych operacji. Usługi te obejmują: kalibrację ciężaru testowego, kalibrację ciężaru testowego i zastępowania materiałów, kalibrację hydrauliczną RapidCal™ oraz kalibrację bezważkościową CalFreePlus z POWERCELL®.
15. Jaka jest korzyść z napełniania elektrolitem na podstawie wagi?
Pełnienie elektrolitu bezpośrednio na górze urządzenia ważącego umożliwia zamkniętą pętlę pomiędzy czujnikiem a urządzeniem napełniającym. Oznacza to, że jesteś w stanie stale regulować urządzenie napełniające podczas pełnej produkcji, eliminując czynniki niepewności i gwarantując stałą jakość ogniw baterii.
16. Jak dokładnie można mierzyć proces napełniania elektrolitem?
Jeśli chodzi o wybór technologii ważenia do napełniania elektrolitem, ważne parametry, takie jak czytelność, powtarzalność i czułość, muszą być Twoimi najważniejszymi uwagami. Co najważniejsze, należy unikać stosowania rozdzielczości jako jedynego kryterium wyboru, ponieważ sama w sobie nie gwarantuje stabilnych wyników ani wysokiej jakości.
17. Czy mogę wykryć ukryte części w modułach baterii za pomocą wagi przemysłowej?
Możliwe jest przeprowadzenie tzw. tarowania i kontroli wagi krzyżowej na końcu montażu modułu baterii. Dzięki tej procedurze jesteś w stanie sprawdzić, czy wszystkie produkty są na pokładzie i nic nie wpadło do modułu podczas montażu. Dodatkowo na ważenie nie mają wpływu błyszczące powierzchnie aluminiowe.
18. Dlaczego dokładna kontrola pH procesu jest ważna podczas produkcji PCAM?
Preparat pH bezpośrednio wpływa na wielkość i morfologię cząstek i jako taki jest odpowiedzialny za wydajność baterii; ładowanie/rozładowanie.
19. Jak mogę uniknąć degradacji PCAM w krystalizatorach?
Obecność tlenu w reaktorach podczas syntezy PCAM może łatwo prowadzić do powstawania niepożądanych tlenków NCM; Dlatego ważne jest utrzymanie obojętnej atmosfery w przestrzeni nadpowierzchniowej reaktora. Ciągły pomiar tlenu in situ zapewnia natychmiastowe powiadomienie o wniknięciu powietrza lub niewystarczającej osłonie azotowej.
20. Jak mogę się upewnić, że stężenie tlenu jest na wymaganym poziomie podczas kalcynacji PCAM?
Pomiar O2 w przewodzie wentylacyjnym kalcynatora PCAM jest trudny ze względu na wysokie temperatury, wilgoć i kurz. Analizator tlenu GPro 500 in situ (lub w konfiguracji ekstrakcyjnej) toleruje takie warunki i zapewnia dokładne pomiary, umożliwiając szybką kontrolę procesu.