Pin lithium-ion

Nhu cầu về pin lithium-ion có thể sạc lại đang tăng trưởng nhanh chóng và kết quả là các nhà sản xuất phải đáp ứng những yêu cầu đầy thách thức về chất lượng sản xuất cũng như việc tiếp tục phát triển pin.

Danh mục sâu rộng các giải pháp đặc tính hóa phân tích trong phòng thí nghiệm, cùng các cảm biến phân tích quy trình và cân chính xác tự động trong sản xuất của METTLER TOLEDO giúp hỗ trợ các quy trình phát triển đảm bảo chất lượng (QA) và kiểm soát chất lượng (QC) của quá trình sản xuất pin lithium-ion.

Các giải pháp sáng tạo của chúng tôi hỗ trợ nhiều bước khác nhau trong chuỗi giá trị pin lithium-ion – từ kiểm tra nguyên liệu thô và các thành phần pin, đến sản xuất và kiểm soát chất lượng thành phẩm.

Sơ đồ Pin Lithium-ion
Phân tích Chất điện phân
Thử nghiệm Cực dương và Cực âm
Phân tích và Thử nghiệm Màng ngăn
Sản xuất Pin Lithium-ion
Sản xuất PCAM (Vật liệu tiền thân cực dương hoạt tính)
Các câu hỏi thường gặp

Thị trường thiết bị điện tử cầm tay ngày càng mở rộng, cùng với tốc độ gia tăng của cuộc cách mạng xe điện, đã dẫn đến nhu cầu lớn tương ứng đối với các loại pin có thể sạc lại. Pin lithium-ion (LIB) là công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực này. Loại pin này thể hiện mật độ năng lượng cao vì nó nhẹ nhưng mạnh mẽ, độ bền chu kỳ tốt vì có thể sạc đi sạc lại mà không bị mất nhiều năng lượng sau mỗi chu kỳ, và có tỷ lệ tự xả thấp.

Sơ đồ pin lithium-ion minh họa nguyên lý hoạt động của loại pin này. Pin LIB lưu trữ năng lượng được giải phóng bởi phản ứng điện hóa giữa vật liệu cực dương và cực âm. Cả cực âm và cực dương đều chứa các ion lithium mang điện tích dương.

Trong quá trình xả điện, phản ứng oxy hóa tại cực dương giải phóng các electron và cation lithium. Các electron chảy qua dây dẫn ngoài đến cực âm. Để khép kín mạch điện, các cation lithium chảy qua chất điện phân lỏng và màng ngăn đến cực âm, nơi chúng tái kết hợp trong một phản ứng khử.

Trong quá trình sạc, các phản ứng tại các điện cực bị đảo ngược và các ion lithium chảy theo hướng ngược lại. Các ion lithium không tham gia vào phản ứng điện hóa tổng thể và giữ nguyên trạng thái oxy hóa của chúng.

Lên đầu trang

Các dung dịch điện phân thường được sử dụng trong pin lithium-ion thương mại bao gồm các dung môi hữu cơ (chủ yếu là các carbonate vòng và thẳng), muối lithium và các chất phụ gia khác nhau. Chất điện phân và các vật liệu pin Li-ion khác phải không được chứa nước, bởi vì ngay cả một lượng vết cũng có thể phản ứng với chất điện phân để tạo ra các phụ phẩm có tính ăn mòn mạnh, bao gồm axit hydrofluoric (HF), làm tổn hại đến hiệu suất và sự an toàn của pin. Do nước có ảnh hưởng xấu như vậy, hàm lượng nước trong chất điện phân cần phải được kiểm tra như một quy trình định kỳ.

Chuẩn độ Karl Fischer điện lượng là phương pháp được lựa chọn để xác định hàm lượng nước trong chất điện phân một cách chính xác và chặt chẽ. Không chỉ nước, mà ngay cả sản phẩm phân hủy có hại là axit hydrofluoric (HF) cũng có thể được xác định trong chất điện phân. Chuẩn độ axit-bazơ đã được chứng minh là phương pháp chính xác và đáng tin cậy để kiểm tra hàm lượng HF trong chất điện phân của pin.

Tỷ trọng của một chất lỏng phụ thuộc vào thành phần phân tử của nó. Việc kiểm tra nhanh tỷ trọng bằng Máy đo Tỷ trọng của METTLER TOLEDO có thể giúp phát hiện sự nhiễm bẩn của chất điện phân bởi nước hoặc các tạp chất khác.

Đo độ dẫn điện là một thông số quan trọng để giám sát chất lượng của các chất điện phân trong pin lithium-ion. Nó xác định tốc độ mà một cell pin có thể được sạc hoặc xả.

Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) được sử dụng trong kiểm soát chất lượng (QC) để nghiên cứu thành phần và hàm lượng các carbonate trong dung dịch điện phân, vốn có ảnh hưởng quan trọng đến độ ổn định chu kỳ, mật độ năng lượng và tính an toàn của pin lithium-ion. DSC cũng cung cấp thông tin về sự nóng chảy và kết tinh của chất điện phân để xác định nhiệt độ tối thiểu cho quá trình sạc/xả.

Lên đầu trang

Hiệu suất và tính an toàn của các điện cực bị ảnh hưởng phần lớn bởi sự lão hóa do quá trình sạc/xả và sự phân hủy của vật liệu hoạt tính cực dương.

Bằng cách cung cấp các phép đo chính xác về nhiệt dung, nhiệt độ phân hủy và xác định enthalpy, các kỹ thuật phân tích nhiệt là công cụ hỗ trợ cơ bản trong các nghiên cứu về độ ổn định nhiệt để đặc tính hóa pin lithium-ion. Để thu thập thêm thông tin về các thành phần phân hủy chỉ từ một thí nghiệm duy nhất, thiết bị TGA hoặc TGA/DSC của METTLER TOLEDO có thể được kết nối liên hợp với một hệ thống phân tích khí phù hợp để thực hiện, ví dụ như: quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), quang phổ khối (MS), sắc ký khí–quang phổ khối (GC-MS) hoặc vi sắc ký khí–quang phổ khối.

Việc kiểm soát pH của vật liệu cực dương có tác động đáng kể đến sự phân bố kích thước hạt và cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Giám sát chặt chẽ độ pH của bùn (slurry) cực dương và các thành phần của nó trong quá trình sản xuất là điều tối quan trọng để các nhà sản xuất đảm bảo chất lượng đồng nhất và tối ưu.

Tương tự như đối với chất điện phân, việc thử nghiệm cực âm và cực dương bao gồm phân tích hàm lượng nước trước khi đưa các thành phần này vào sử dụng trong pin. Hệ thống nạp mẫu tự động lò sấy InMotion™ KF của METTLER TOLEDO gia nhiệt vật liệu rắn lên nhiệt độ cao, chiết tách lượng nước bên trong và dẫn đến máy chuẩn độ Karl Fischer điện lượng để xác định.

Hơn nữa, chuẩn độ có thể được sử dụng để xác định hàm lượng kim loại (ví dụ: coban, mangan, sắt, niken) của vật liệu cực dương cũng như để kiểm tra các tạp chất trong vật liệu như clorua, hydroxit và cacbonat.

Lên đầu trang

Màng ngăn trong pin Li-ion có tác động mang tính quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ tin cậy và tính an toàn của pin. Ví dụ, sự phân hủy của vật liệu màng ngăn thường là nguyên nhân gốc rễ gây ra hiện tượng đoản mạch nội bộ dẫn đến hỏng cell pin. Do đó, các phương pháp thử nghiệm và phân tích màng ngăn đáng tin cậy là vô cùng quan trọng.

Phân tích nhiệt được sử dụng để đặc tính hóa các tính chất nhiệt của màng ngăn, thường được làm từ các loại polyolefin như PP (polypropylene) hoặc PE (polyethylene). Các hạn chế về mặt công nghệ của loại màng này bao gồm khả năng kháng đâm thủng, độ co ngót và sự nóng chảy hoàn toàn (meltdown). Những tính chất này có thể được nghiên cứu thông qua các phương pháp Phân tích nhiệt trọng trường (TGA), Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) và Phân tích cơ nhiệt (TMA).

Lên đầu trang

Từ những vật liệu ban đầu cho đến thành phẩm chất lượng cao, một viên pin lithium-ion phải trải qua tới 25 bước sản xuất, vốn là nền tảng để đạt được chất lượng và hiệu suất theo yêu cầu. Việc cân đo, bao gồm cả xác định hàm lượng độ ẩm, là chìa khóa để đảm bảo tính đồng nhất và khả năng truy xuất nguồn gốc trong suốt chuỗi sản xuất.

Các nguyên liệu thô đắt đỏ chiếm tới 60% tổng chi phí sản xuất cell pin. Cân khối lượng là phương pháp chính xác nhất để đáp ứng các mức sai số quy trình khắt khe nhằm đảm bảo tính đồng nhất trong công thức và tránh lãng phí tốn kém.

Sau khi các điện cực được xếp chồng lên nhau, cân khối lượng là giải pháp cho việc chiết rót chất điện phân. Ngay cả khi có thể kiểm soát dòng chảy của chất điện phân, độ chính xác của các thiết bị cân đo có độ phân giải cao vẫn giúp đảm bảo kiểm soát chất lượng 100%.

Các bộ phận bị thiếu hoặc bị ẩn, vốn có thể vô tình rơi vào mô-đun, có thể gây ra hỏa hoạn và phá hủy mô-đun đó. Điều này có thể được ngăn ngừa bằng cách sử dụng cân độ phân giải cao để kiểm tra tính đầy đủ, thậm chí giúp loại bỏ các vấn đề về phát hiện liên quan đến bề mặt sáng bóng.

Vì hàm lượng chất rắn của bùn (slurry) điện cực ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ và từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất điện cực, việc kiểm soát chặt chẽ hàm lượng chất rắn hoặc độ ẩm trong quá trình sản xuất điện cực là rất quan trọng. Việc này có thể được thực hiện nhanh chóng và dễ dàng bằng máy phân tích độ ẩm halogen.

Lên đầu trang

Hiệu suất của pin phụ thuộc phần lớn vào độ tinh khiết của Vật liệu hoạt tính cực dương (CAM) và kích thước hạt của vật liệu tiền thân, PCAM.

Trong quá trình kết tủa/kết tinh, việc kiểm soát liên tục độ pH của quy trình là cực kỳ quan trọng để tác động đến hình thái và sự phân bố hạt PCAM. Sự biến thiên của quy trình có thể thay đổi đáng kể hồ sơ hình thái hạt và do đó là điều không mong muốn. Phép đo pH trực tuyến chính xác là điều kiện tiên quyết để duy trì tính nhất quán của quy trình.

Quá trình kết tủa PCAM (kim loại hydroxit) có thể gây ra hiện tượng bám cặn trên các cảm biến quy trình, dẫn đến sai lệch kết quả đo. Cảm biến pH quy trình thông minh InPro 4260i của METTLER TOLEDO được thiết kế riêng cho các quy trình sản xuất PCAM. Kết hợp với hệ thống làm sạch tự động EasyClean 200, METTLER TOLEDO cung cấp giải pháp đo lường tối ưu để kiểm soát pH quy trình PCAM một cách đáng tin cậy.

Lò phản ứng (thiết bị kết tinh) yêu cầu nồng độ oxy thấp để tránh oxy hóa PCAM. InPro 6850i G là cảm biến oxy tại chỗ (in situ) có kích thước nhỏ gọn của METTLER TOLEDO, giúp đo chính xác nồng độ O2 trong khoảng không phía trên lò phản ứng (headspace), cho phép kiểm soát nhanh chóng khí trơ.

Đối với cực dương loại NCM, việc sản xuất CAM bao gồm quá trình nung (calcination), trong đó nồng độ oxy phải được kiểm soát chính xác. Thiết bị phân tích oxy laser diode có thể điều chỉnh (TDL) GPro 500 rất phù hợp cho ứng dụng này, vì nó được thiết kế đặc biệt để xử lý các điều kiện nhiệt độ cao, thành phần khí thay đổi, độ ẩm và bụi bẩn trong khí thải của lò nung.

Lên đầu trang

Đảm bảo hiệu suất và tính an toàn trong suốt chuỗi giá trị pin: Tối ưu hóa các quy trình và tận dụng độ chính xác cao để đảm bảo hiệu suất và sự an toàn của pin.