Efterfrågan på laddbara litiumjonbatterier växer snabbt och som ett resultat, måste tillverkare uppfylla utmanande krav på produktionskvalitet och ytterligare utveckling av batterier.
METTLER TOLEDOs omfattande sortiment av analytiska karakteriseringslösningar för laboratoriet och automatiska precisionsvågar för tillverkning stöder kvalitetssäkringsutveckling (QA) och procedurer för kvalitetskontroll (QC) för litiumjonbatteriproduktion.
Våra innovativa laboratorie- och industrilösningar stöder de olika stegen i litiumjonbatteriets värdekedja – från test av råmaterial och batterikomponenter, till produktion och slutlig kvalitetskontroll.
Den allt mer växande marknaden för bärbara elektroniska enheter, tillsammans med elbilsrevolutionen, har resulterat i en stor efterfrågan på laddbara batterier. Litiumjonbatterier (LIB:er) är toppmoderna inom denna teknik. Denna batterityp uppvisar hög energidensitet, eftersom den är lätt, men ändå kraftfull, har god cykelhållbarhet då den kan laddas om och om igen utan att den förlorar så mycket energi för varje cykel och en låg självurladdningshastighet.
Diagrammet för litiumjonbatteri illustrerar arbetsprincipen för ett litiumjonbatteri. LIB:er lagrar energi som frigörs av en elektrokemisk reaktion mellan anod- och katodmaterialet. Både katoden och anoden innehåller positivt laddade litiumjoner.
Under urladdning frigör oxidationsreaktionen vid anorden elektroner och litiumkatjoner. Elektronerna flödar genom en extern kabel till katoden. För att sluta den elektriska kretsen, flödar litiumkatjoner genom vätskeelektrolyten och separatorn till katoden, där de återkombineras i en reduktionsreaktion.
Under laddning, omvänds reaktionerna vid elektroderna och litiumjonerna flödar i motsatt riktning. Litiumjonerna deltar inte i den totala elektrokemiska reaktionen och förblir i sitt oxidationstillstånd.
De elektrolytiska lösningarna som vanligtvis används i kommersiella litiumjonbatterier består av organiska lösningsmedel (oftast cykliska och linjära karbonater), litiumsalter och olika tillsatser. Elektrolyter och andra litiumjonbatterimaterial måste vara vattenfria eftersom även spårmängder reagerar med elektrolyten och producerar aggressiva biprodukter inklusive fluorvätesyra, som försämrar batteriets prestanda och säkerhet. Eftersom vatten har en så negativ påverkan, måste elektrolytens vatteninnehåll testas rutinmässigt.
Coulometrisk Karl Fischer-titrering är den föredragna metoden för att fastställa vatteninnehållet i en elektrolyt exakt och korrekt. Inte bara vatten, men även själva produkten med negativ inverkan, fluorvätesyran (HF), kan fastställas i elektrolyten. Syra/bas-titrering har visat sig vara en exakt och tillförlitlig metod för att testa HF-innehållet i batteriets elektrolyt.
En vätskas densitet beror på dess molekylära sammansättning. En snabb densitetskontroll med en densitetsmätare från METTLER TOLEDO kan hjälpa till att avslöja elektrolytkontaminationer med vatten eller andra föroreningar.
Differentiell svepkalometri (DSC) används i QC för att studera sammansättningen och innehållet av karbonater i elektrolytiska lösningar, som har viktiga konsekvenser för litiumjonbatteriers cykelstabilitet, energidensitet och säkerhet. DSC tillhandahåller information om elektrolytsmältning och -kristallisation för att fastställa minimitemperaturerna för laddning/urladdning.
Tillhörande dokument
Elektroders prestanda och säkerhet påverkas mycket av laddnings-/urladdningsinducerat åldrande och degradering av katodens aktiva material.
Termiska analysmetoder tillhandahåller exakta mätningar för värmekapacitet, dekompositionstemperaturer och entalpibestämning, är grundläggande hjälpmedel för termiska stabilitetsstudier för karakterisering av litiumjonbatteri. För att inhämta mer information om degraderingskomponenter från ett enskilt experiment, kan en TGA eller TGA/DSC från METTLER TOLEDO kombineras till ett passande gasanalyssystem för att utföra, till exempel, Fourier transform infraröd spektroskopi, masspektroskop, gaskromatografi-masspektroskopi eller mikrogaskromatografi-masspektroskopi.
På samma sätt som för elektrolyten, omfattar katod- och anodtestning analys av vatteninnehåll innan man använder komponenterna i batteriet. METTLER TOLEDOs InMotion KF Oven-autosampler värmer upp det fasta materialet till höga temperaturer, extraherar dess vatten och guidar det till en Coulometrisk Karl Fischer-ttitrator, där det detekteras.
Dessutom kan titrering användas för att fastställa metallinnehållet (t.ex. kobolt, mangan, järn, nickel) i katodmaterialet samt testa materialet gällande föroreningar, som klorider, hydroxider och karbonater.
Tillhörande dokument
Tillämpningsanvisningar:
Separatorer för litiumjonbatterier har avgörande påverkan på batteriprestanda, livslängd samt tillförlitlighet och säkerhet. Till exempel, degradering av separatormaterial är ofta den grundläggande orsaken till en kortslutning som leder till cellfel. Därför är tillförlitliga metoder för separatortestning och -analys mycket viktiga.
Termisk analys används för att karakterisera de termiska egenskaperna för separatorer, vanligtvis gjorda av polyolefiner som PP eller PE. Tekniska begränsningar för sådana membran omfattar penetreringsmotstånd, krympning och nedsmältning. Dessa egenskaper kan undersökas med hjälp av termogravimetri (TGA), differentiell svepkalometri (DSC) och termomekanisk analys (TMA).
Tillhörande dokument
Från startmaterial till en högkvalitativ produkt, måste ett litiumjonbatteri köras genom upp till 25 produktionssteg, som lägger grunden för den kvalitet och prestanda som krävs. Vägning, inklusive bestämning av fukthalt, är nyckeln till att tillhandahålla konsistens och spårbarhet längs hela tillverkningskedjan.
Dyra råmaterial representerar upp till 60 % av de totala produktionskostnaderna. Vägning är den mest exakta metoden för att uppfylla höga processtoleranser för konsekvens i formulering och undvika dyrt spill.
Efter att elektroderna har staplats, är vägning lösningen för elektrolytfyllning. Även om det är möjligt att styra elektrolytflödet, kan precisionen hos högprecisionsenheter säkerställa 100 % kvalitetskontroll.
Saknade eller dolda delar, som kan råka falla ner i modulen oavsiktligt, kan orsaka en brand och förstöra den. Detta kan förhindras genom att man använder en högupplöst våg för en fullständighetskontroll, som till och med eliminerar detekteringsproblem kopplade till blanka ytor.
När elektrodslam påverkar beläggningskvaliteten och därför elektrodprestandan, är strikt kontroll av fast respektive fukthaltsinnehåll kritisk under elektrodproduktion. Detta kan göras snabbt och enkelt med en halogenfukthaltsvåg.
Tillhörande dokument
Batteriprestanda beror till stor del på renheten hos katodens aktiva material (CAM) och föregångarmaterialets partikelstorlek, PCAM.
Under kristallisation, är kontinuerlig kontroll av process-pH mycket viktig för att påverka PCAM-partikelmorfologi och distribution. Processvariabilitet kan ändra morfologiprofilen dramatiskt och är därför oönskad. Korrekt inline-pH-mätning är en förutsättning för att upprätthålla processkonsekvens.
Kristalliserande PCAM (metallhydroxider) kan skala på processensorer och orsaka mätningsfluktuation.
METTLER TOLEDOs intelligenta process-pH-sensor InPro 4260i är skräddarsydd för PCAM-tillverkningsprocesser med höga koncentrationer av suspenderade partiklar. Kombinerat med det automatiska rengöringssystemet EasyClean 200, erbjuder METTLER TOLEDO den ultimata mätningslösningen för tillförlitlig PCAM-process-pH-kontroll.
Reaktorn kräver en låg syrenivå för att undvika oxidering av PCAM. InPro 6850i är METTLER TOLEDOs utrymmesbesparande syresensor direkt i processen som mäter syrenivåer korrekt i reaktor-headspace och möjliggör snabb kontroll av inert gas.
Tillhörande dokument
Webbseminarier:
Guide: Litiumjonbatteriets livscykel
Säkerställ prestanda och säkerhet längs batterivärdekedjan: Optimera processer och utnyttja hög precision för att säkerställa batteriets prestanda och säkerhet.
Instrument
Vanliga frågor och svar
Vad är litiumjonbatteritestning och hur fungerar det?
Välj den fråga du är intresserad av:
- Vad är fördelarna med litiumjonbatterier?
- Vad är livslängden för ett litiumjonbatteri?
- Vad är den säkra arbetstemperaturen för ett litiumjonbatteri?
- Hur påverkar vatten inuti ett litiumjonbatteri?
- Vilka batterikomponenter behöver testas gällande vatten?
- Ska elektrolyten testas både för vatten och fluorvätesyra innan den fylls i batteriet?
- Vad är den föredragna metoden för att testa elektrolyten gällande vatten?
- Vilken metod rekommenderas för att testa den fasta katoden, anoden och separatorn gällande vatten?
- Ska man kontrollera elektrolytens densitet?
- Hur kan termisk analys bidra till säkerhetsundersökning av litiumjonbatterier?
- Hur kan syntesen av grafenanodmaterial undersökas genom simultan termiska analys?
- Varför är separatornedstängning viktig och hur kan den undersökas?
- Kan aggressiva material skada mätinstrumentet som används för att formulera en slambatch?
- Hur kalibrerar jag en industrivåg i mitt maskin- och produktionssystem?
- Vad är fördelen med viktbaserad elektrolytfyllning?
- Hur exakt kan du mäta elektrolytfyllningsprocessen?
- Kan jag detektera dolda delar i batterimoduler med en industrivåg?
- Varför är korrekt process-pH-kontroll viktig under PCAM-tillverkning?
- Hur kan jag undvika PCAM-nedbrytning i kristallisatorer?
- Hur kan jag vara säker på att syrekoncentrationen är på den nivå som krävs under kalcinering av PCAM?
1. Vad är fördelarna med litiumjonbatterier?
Litiumjonbatterier kan laddas om hundratals gånger och är mer stabila. De tenderar att ha högre energidensitet, spänningskapacitet och lägre självurladdning än andra laddbara batterier.
2. Vad är livslängden för ett litiumjonbatteri?
Den typiska livslängden för ett litiumjonbatteri är ca två till tre år eller 300 till 500 laddcykler, vilket som kommer först.
3. Vad är den säkra arbetstemperaturen för ett litiumjonbatteri?
Litiumjonbatterier presterar optimalt när de laddas mellan 0 °C och 45 °C. Den optimala urladdningstemperaturen är mellan –20 °C och 60 °C.
4. Hur påverkar vatten inuti ett litiumjonbatteri?
Vattnet inuti ett litiumjonbatteri reagerar med elektrolyten och orsakar negativa produkter som fluorvätesyra (HF). Dessa kemikalier leder till degradering av elektroderna, stör den totala funktionen och försämrar i slutändan kapaciteten. Dessutom kan vatten leda till ett termiskt runaway-scenario, vilket leder till att batteriet exploderar.
5. Vilka batterikomponenter behöver testas för vatten?
Alla batterikomponenter måste testas för vatten innan de byggs in i batteriet. Alla komponenter som är i kontakt med varandra via de flytande elektrolyterna.
6. Ska elektrolyten testas både för vatten och fluorvätesyra innan det fylls i batteriet?
Fluorvätesyra (HF) är känd för att påverka batteriets prestanda negativt. Den formas genom en reaktionen mellan elektrolyten och vatten. Denna reaktion kan inträffa inuti ett batteri, men även under produktionen av elektrolyten. Därför är det viktigt att elektrolyten inte bara testas för vatten, utan även för HF i sig, innan den fylls i batterihuset.
7. Vad är den föredragna metoden för att testa elektrolyten för vatten?
Coulometrisk Karl Fischer-tritering (KF) är den föredragna metoden för att fastställa lågt vatteninnehåll i prover som elektrolyter. Analysen är snabb, tillförlitlig och kräver ingen provberedning alls. Elektrolytprovet sprutas in i titreringsbehållaren och man får resultatet efter –2 minuter.
8. Vilken metod rekommenderas för att testa den fasta katoden, anoden och separatorn för vatten?
Fasta prover kan inte sprutas in i en Karl Fischer titreringsbehållare direkt. Så det behövs en gasfasextraktionsugn för att extrahera vattnet först. Ugnen InMotion KF värmer automatiskt upp det fasta provet till varma temperaturer och en ström med kväve bär det ångade vattnet till den cuolometriska titreringscellen, där den detekteras. Analysen är helt automatiserad. Elektroden fylls i flaskorna och metoden startas med OneClick™.
9. Ska man kontrollera elektrolytens densitet?
En vätskas densitet beror på dess sammansättning. Vatten och andra föroreningar ändrar elektrolytens densitet. En snabb densitetskontroll av elektrolyten kan avslöja kontamination och dålig kvalitet.
10. Hur kan termisk analys bidra till säkerhetstestning av litiumjonbatterier?
Termogravimetrisk analys (TGA) och differentiell svepkalorimetri (DSC) är värdefulla verktyg för att fastställa den termiska stabiliteten och nedbrytningsprofilen för olika batterikomponenter. Termisk runaway av batteriet kan även undersökas i både normala och extrema situationer.
11. Hur kan syntesen av grafenanodmaterial undersökas genom simultan termiska analys?
En enkel och billig väg att erhålla grafen är att reducera grafenoxid, som enkelt kan erhållas från grafit. Den stegvisa reduktionen av grafenoxid kan enkelt följas av TGA/DSC.
12. Varför är separatornedstängning viktig och hur kan den undersökas?
Av säkerhetsskäl är det viktigt att separatorn stängs ner (dvs. porstängning) innan smältningen börjar. Detta kan bekräftas av den termomekaniska analysen (TMA), som karakteriserar separatormembranets krympnings- och smältningsbeteende.
13. Kan aggressiva material skada mätinstrumentet som används för att formulera en slambatch?
Vägningsmoduler och lastceller installeras vanligtvis på utsidan av en tank eller omrörare, så att mätinstrumentet inte har direkt kontakt med heta, kalla, aggressiva eller explosiva material. Dessutom är dessa sensorer exakta oavsett deras form, yta, dielektricitet, Reynolds-nummer, viskositet eller några andra materialegenskaper.
14. Hur kalibrerar jag en industrivåg i mitt maskin- och produktionssystem?
Lastcellerna och viktmodulerna som stödjer tanken och magasinsystemet är viktiga komponenter som måste fungera säkert och exakt. METTLER TOLEDO erbjuder skräddarsydda kalibreringstjänster för alla kapaciteter för att säkerställa konsekventa resultat och tillförlitlig drift. Dessa tjänster omfattar testviktskalibrering, testvikts- och materialersättningskalibrering, RapidCal™ hydraulisk kalibrering och CalFreePlus viktlös kalibrering med POWERCELL®.
15. Vad är fördelen med viktbaserad elektrolytfyllning?
Att fylla elektrolyten direkt uppe på vägningsenheten möjliggör en stängd loop mellan sensorn och påfyllningsenheten. Det betyder att du konstant kan justera påfyllningsenheten under full produktion, eliminera osäkerhetsfaktorer och garantera en konsekvent battericellskvalitet.
16. Hur exakt kan du mäta elektrolytfyllningsprocessen?
När det gäller att välja vägningsteknik för elektrolytpåfyllning, måste viktiga parametrar som läsbarhet, upprepbarhet och känslighet vara dina främsta överväganden. Viktigast av allt, undvik att använda upplösning som ditt enda urvalskriterium, eftersom det i sig inte garanterar stabila resultat eller hög kvalitet.
17. Kan jag detektera dolda delar i batterimoduler med en industrivåg?
Är det möjligt att utföra en så kallad egenvikts- och korsviktskontroll i slutet av batterimodulmonteringen. Med den här proceduren kan du kontrollera om alla produkter är på plats och att inget har fallit ner i modulen under monteringen. Dessutom påverkas vägning inte av glänsande aluminiumytor.
18. Varför är korrekt process-pH-kontroll viktig under PCAM-tillverkning?
Process-pH påverkar partikelstorlek och morfologi direkt och är på så sätt ansvarig för batteriprestandan – laddning/urladdning.
19. Hur kan jag undvika PCAM-nedbrytning i kristallisatorer?
Närvaron av syre i reaktorer under PCAM-syntes kan lätt leda till bildandet av oönskade NCM-oxider; Därför är det viktigt att upprätthålla en inert atmosfär i reaktorns huvudutrymme. Kontinuerlig, in situ syremätning ger omedelbar information om luftinträngning eller otillräcklig kväveinfiltning.
20. Hur kan jag vara säker på att syrekoncentrationen är på den nivå som krävs under kalcinering av PCAM?
Att mäta O2 i PCAM-reaktorns ventilationsrör är knepigt på grund av höga temperaturer, fukt och damm. Syrgasanalysatorn GPro 500 (in situ eller extraktiv) tål sådana förhållanden, ger noggrann mätning och möjliggör snabb processtyrning.