De vraag naar oplaadbare lithium-ion batterijen neemt snel toe en als gevolg daarvan moeten fabrikanten voldoen aan uitdagende eisen voor de productiekwaliteit en de verdere ontwikkeling van batterijen.
METTLER TOLEDO's uitgebreide portfolio van analytische karakteriseringsoplossingen voor het laboratorium en geautomatiseerde precisieweegschalen voor de productie, ondersteunen de kwaliteitsborging (QA), ontwikkeling en kwaliteitscontrole (QC) procedures van lithium-ion batterij productie.
Onze innovatieve laboratorium- en industriële oplossingen ondersteunen de verschillende stappen in de lithium-ionbatterij waardeketen, van het testen van grondstoffen en batterijcomponenten tot de productie en de uiteindelijke kwaliteitscontrole.
De alsmaar groeiende markt voor draagbare elektronische apparaten, samen met het steeds snellere tempo van de revolutie van de elektrische auto, heeft geleid tot een even grote vraag naar oplaadbare batterijen. Lithium-ion batterijen (LIB's) zijn in deze technologie state-of-the-art. Dit type batterij heeft een hoge energiedichtheid omdat ze licht en toch krachtig is, een goede cyclusbestendigheid omdat ze kan worden opgeladen en herladen zonder elke cyclus veel energie te verliezen, en een lage zelfontladingssnelheid.
Het lithium ion batterij diagram illustreert het werkingsprincipe van een lithium ion batterij. LIBs slaan energie op die vrijkomt door een elektrochemische reactie tussen de anode en het kathodemateriaal. Zowel de kathode als de anode bevatten positief geladen lithium-ionen.
Tijdens de ontlading komen bij de oxidatiereactie aan de anode elektronen en lithiumkationen vrij. De elektronen stromen door een externe draad naar de kathode. Om het elektrische circuit te sluiten, stromen de lithiumkationen door de vloeibare elektrolyt en de separator naar de kathode, waar ze recombineren in een reductiereactie.
Tijdens het opladen zijn de reacties aan de elektroden omgekeerd en stromen de lithium-ionen in tegengestelde richting. De lithium-ionen nemen geen deel aan de totale elektrochemische reactie en blijven in hun oxidatietoestand.
De elektrolytische oplossingen die gewoonlijk in commerciële lithium-ionbatterijen worden gebruikt, bestaan uit organische oplosmiddelen (meestal cyclische en lineaire carbonaten), lithiumzouten en diverse additieven. Elektrolyten en andere Li-ion-batterijmaterialen moeten vrij zijn van water, omdat zelfs sporen met de elektrolyt reageren en agressieve bijproducten produceren, waaronder fluorwaterstofzuur, die de prestaties en de veiligheid van de batterij in gevaar brengen. Omdat water zo'n slechte invloed heeft, moet het watergehalte van de elektrolyt routinematig worden getest.
Coulometrische Karl Fischer titratie is bij uitstek de methode om het watergehalte van elektrolyten nauwkeurig en precies te bepalen. Niet alleen water, maar ook het schadelijke afbraakproduct zelf, fluorwaterstofzuur (HF), kan in de elektrolyt worden bepaald. Zuur-base titratie heeft bewezen een nauwkeurige en betrouwbare methode te zijn om het HF-gehalte van de elektrolyt van de batterij te testen.
De dichtheid van een vloeistof hangt af van zijn moleculaire samenstelling. Een snelle dichtheidscontrole met een METTLER TOLEDO Dichtheidsmeter kan helpen om verontreiniging van elektrolyten met water of andere onzuiverheden aan het licht te brengen.
Differentiële Scanning Calorimetrie (DSC) wordt gebruikt in QC om de samenstelling en het gehalte aan carbonaten in elektrolytische oplossingen te bestuderen, die belangrijke implicaties hebben voor de cyclusstabiliteit, energiedichtheid en veiligheid van lithium-ionbatterijen. DSC verschaft ook informatie over het smelten en kristalliseren van elektrolyten om de minimumtemperaturen voor laad-/ontlaadprocessen te bepalen.
Gerelateerde documenten
Aanwijzingen voor de toepassing:
De prestaties en veiligheid van elektroden worden in hoge mate beïnvloed door veroudering en degradatie van het actieve kathodemateriaal als gevolg van lading/ontlading.
Met nauwkeurige metingen voor warmtecapaciteit, ontledingstemperaturen en enthalpie bepaling, zijn thermische analyse technieken fundamentele hulpmiddelen in thermische stabiliteitsstudies voor lithium ion batterij karakterisatie. Om meer informatie te verkrijgen over degradatiecomponenten uit één enkel experiment, kan een METTLER TOLEDO TGA of TGA/DSC worden gekoppeld aan een geschikt gasanalysesysteem om bijvoorbeeld Fourier transform infrarood spectroscopie, massaspectroscopie, gaschromatografie-massaspectroscopie of microgaschromatografie-massaspectroscopie uit te voeren.
Net als bij de elektrolyt, omvat het testen van de kathode en anode een analyse van het watergehalte, voordat de componenten in de batterij worden gebruikt. METTLER TOLEDO's InMotion KF Oven Autosampler verhit de vaste stof tot verhoogde temperaturen, onttrekt het water en leidt het naar een Coulometric Karl Fischer Titrator, waar het wordt gedetecteerd.
Verder kan titratie worden gebruikt om het metaalgehalte (bijv. kobalt, mangaan, ijzer, nikkel) van kathodemateriaal te bepalen en om het materiaal te testen op onzuiverheden zoals chloriden, hydroxiden en carbonaten.
Gerelateerde documenten
Application notes:
Scheidingsrelais voor Li-ion batterijen hebben een cruciale invloed op de prestaties en de levensduur van de batterij, maar ook op de betrouwbaarheid en de veiligheid. Zo is degradatie van separatormateriaal vaak de hoofdoorzaak van een interne kortsluiting die tot celstoring leidt. Betrouwbare methoden voor het testen en analyseren van separatoren zijn dus van groot belang.
Thermische analyse wordt gebruikt om de thermische eigenschappen van separatoren te karakteriseren, die meestal worden gemaakt van polyolefinen zoals PP of PE. Technologische beperkingen van dergelijke membranen zijn onder andere penetratieweerstand, krimp en smelten. Deze eigenschappen kunnen worden onderzocht door middel van Thermogravimetrie (TGA), Differentiële Scanning Calorimetrie (DSC) en Thermomechanical Analysis (TMA).
Gerelateerde documenten
Voordat het een hoogwaardig product is moet een lithium-ionbatterij tot wel 25 productiestappen doorlopen, die de basis leggen voor de gevraagde kwaliteit en prestaties. Wegen, inclusief drogestofbepaling, is essentieel voor het bieden van consistentie en traceerbaarheid in de gehele productieketen.
Dure grondstoffen maken tot 60% uit van de totale celproductiekosten. Weging is de meest nauwkeurige methode om te voldoen aan hoge procestoleranties voor consistentie in formulering en het vermijden van dure verspilling.
Nadat de elektroden zijn gestapeld, is wegen de oplossing voor het vullen van elektrolyten. Zelfs als het mogelijk is om de elektrolytstroom te controleren, kan de nauwkeurigheid van weegtoestellen met hoge precisie zorgen voor 100% kwaliteitscontrole.
Ontbrekende of verborgen onderdelen, die per ongeluk in de module kunnen vallen, kunnen brand veroorzaken en de module vernietigen. Dit kan worden voorkomen door gebruik te maken van een hoge-resolutie weegschaal voor een volledigheidscontrole, die zelfs detectieproblemen in verband met glanzende oppervlakken elimineert.
Omdat het vaste-stofgehalte van elektrodeslurries van invloed is op de coatingkwaliteit en daarmee op de elektrodeprestaties, is strikte controle van de vastestof, respectievelijk vochtgehalte tijdens de elektrodeproductie, van cruciaal belang. Dit kan snel en eenvoudig worden gedaan met een halogeen vochtanalysator.
Gerelateerde documenten
Aanwijzingen voor de toepassing:
Vocht meten in lithium-ionbatterijen
Waterbepaling in NMP op basis van densiteit
Weegtoepassingen in laboratoria in de lithium-ionbatterij-industrie
Casestudies:
De prestaties van batterijen zijn in hoge mate afhankelijk van de zuiverheid van het kathode-actieve materiaal (CAM) en de deeltjesgrootte van het precursormateriaal, PCAM.
Tijdens precipitatie/kristallisatie is continue controle van proces-pH zeer belangrijk om de morfologie en distributie van PCAM-deeltjes te beïnvloeden. Procesvariabiliteit kan het morfologieprofiel drastisch veranderen en is daarom ongewenst. Nauwkeurige inline pH-meting is een eerste vereiste om procesconsistentie te ondersteunen.
Neerslag van PCAM (metaalhydroxiden) kan afzetten op processensoren en veroorzaakt meetdrift.
METTLER TOLEDO's InPro 4260i intelligente proces pH-sensor is op maat gemaakt voor PCAM productieprocessen met hoge concentraties van zwevende deeltjes. In combinatie met het EasyClean 200 geautomatiseerde reinigingssysteem biedt METTLER TOLEDO de ultieme meetoplossing voor betrouwbare PCAM pH-procesbeheersing.
De reactor vereist een laag zuurstofgehalte om oxidatie van PCAM te voorkomen. De InPro 6850i is METTLER TOLEDO's kleine in-situ zuurstofsensor die nauwkeurig het zuurstofgehalte in de reactorkopruimte meet en een snelle regeling van inert gas mogelijk maakt.
Gerelateerde documenten
Aanwijzingen voor de toepassing:
Productie van lithium-ionbatterijen
PCAM-degradatie kan worden vermeden
CAM Kristal Structuur
Recycling van Li-ion-batterijen en in-line pH
Gids: Levenscyclus van lithium-ionbatterijen
Garandeer prestaties en veiligheid in de hele waardeketen van batterijen: optimaliseer processen en maak gebruik van hoge precisie om de prestaties en veiligheid van de batterij te garanderen.
Instrumenten
FAQ
Wat zijn lithium-ion-accutests en hoe werkt het?
Selecteer uw vraag van interesse:
- Wat is het voordeel van lithium-ionbatterijen?
- Wat is de levensduur van een lithium-ionbatterij?
- Wat is de veilige bedrijfstemperatuur voor een lithium-ion-batterij?
- Wat is de invloed van water in een lithium-ionbatterij?
- Welke onderdelen van de batterij moeten worden getest op water?
- Moet de elektrolyt worden getest op zowel water als fluorwaterstofzuur voordat deze in de batterij wordt gevuld?
- Wat is de beste methode om de elektrolyt te testen op water?
- Welke methode wordt aanbevolen om de vaste kathode, anode en separator op water te testen?
- Moet de dichtheid van de elektrolyt worden gecontroleerd?
- Hoe kan thermische analyse bijdragen aan het veiligheidsonderzoek van lithium-ionbatterijen?
- Hoe kan de synthese van grafeenanodemateriaal worden onderzocht door middel van gelijktijdige thermische analyse?
- Waarom is het afsluiten van de separator belangrijk en hoe kan dit worden onderzocht?
- Kan agressief materiaal schade toebrengen aan het meetapparaat dat wordt gebruikt om een slurrybatch te formuleren?
- Hoe kalibreer ik een industriële weegschaal in mijn machines en productiesysteem?
- Wat is het voordeel van elektrolytvulling op basis van gewicht?
- Hoe nauwkeurig kun je het elektrolytvulproces meten?
- Kan ik verborgen onderdelen in batterijmodules opsporen met een industriële weegschaal?
- Waarom is een nauwkeurige pH-regeling van het proces belangrijk bij de productie van PCAM?
- Hoe kan ik PCAM-degradatie in kristallisatoren voorkomen?
- Hoe kan ik er tijdens PCAM-calcinatie zeker van zijn dat de zuurstofconcentratie op het vereiste niveau is?
1. Wat is het voordeel van lithium-ion batterijen?
Lithium-ion-batterijen kunnen honderden keren worden opgeladen en zijn stabieler. Ze hebben doorgaans een hogere energiedensiteit, spanningscapaciteit en een lagere zelfontladingssnelheid dan andere oplaadbare batterijen.
2. Wat is de levensduur van een lithium-ion batterij?
De normale levensduur van een lithium-ionbatterij is ongeveer twee tot drie jaar of 300 tot 500 laadcycli, afhankelijk van wat zich het eerst voordoet.
3. Wat is de veilige bedrijfstemperatuur voor een lithium-ionbatterij?
Lithium-ion-batterijen presteren optimaal wanneer ze worden opgeladen tussen 0 °C en 45 °C. De optimale ontladingstemperatuur ligt tussen -20 °C en 60 °C.
4. Wat is de invloed van water in een lithium-ionbatterij?
Het water in een lithium-ion-batterij reageert met de elektrolyt, waarbij schadelijke producten zoals fluorwaterstofzuur (HF) vrijkomen. Deze chemicaliën leiden tot een degradatie van de elektroden, verstoren de algehele werking en verlagen uiteindelijk de capaciteit. Bovendien kan water leiden tot een thermisch runaway-scenario, met een explosie van de batterij tot gevolg.
5. Welke batterijonderdelen moeten op water worden getest?
Alle batterijcomponenten moeten op water worden getest voordat ze in de batterij worden ingebouwd. Alle onderdelen die via het vloeibare elektrolyt met elkaar in contact komen.
6. Moet de elektrolyt worden getest op zowel water als fluorwaterstofzuur voordat deze in de batterij wordt gevuld?
Fluorwaterstofzuur (HF) staat erom bekend dat het een slechte invloed heeft op de prestaties van de batterij. Het wordt gevormd door een reactie van de elektrolyt met water. Deze reactie kan zich voordoen in een batterij, maar ook tijdens de productie van de elektrolyt. Daarom is het belangrijk dat de elektrolyt niet alleen wordt getest op water, maar ook op HF zelf voordat het in de batterijbehuizing wordt gevuld.
7. Wat is de aangewezen methode om de elektrolyt te testen op water?
Coulometrische Karl Fischer (KF) titratie is de methode bij uitstek om een laag watergehalte te bepalen in monsters zoals elektrolyten. De analyse is snel, betrouwbaar en er is helemaal geen monstervoorbereiding nodig. Het elektrolytmonster wordt in het titratievat geïnjecteerd en het resultaat wordt na 1-2 minuten verkregen.
8. Welke methode wordt aanbevolen om de vaste kathode, anode en scheider op water te testen?
Vaste monsters kunnen niet rechtstreeks in een Karl Fischer-titratievat worden geïnjecteerd. Er is dus een gasfase-extractieoven nodig om het water eerst te extraheren. De InMotion KF-oven verhit het vaste monster automatisch tot verhoogde temperaturen en een stroom droge stikstof voert het verdampte water naar de coulometrische titratiecel, waar het wordt gedetecteerd. De analyse is volledig geautomatiseerd. De elektrode wordt in de flesjes gevuld en de methode wordt gestart met OneClick™.
9. Moet de dichtheid van de elektrolyt worden gecontroleerd?
De dichtheid van een vloeistof is afhankelijk van de samenstelling. Water en andere onzuiverheden veranderen de dichtheid van het elektrolyt. Een snelle dichtheidscontrole van het elektrolyt kan verontreinigingen en slechte kwaliteit aan het licht brengen.
10. Hoe kan thermische analyse bijdragen aan het testen van de veiligheid van lithium-ionbatterijen?
Thermogravimetrische analyse (TGA) en differentiële scanning calorimetrie (DSC) zijn waardevolle hulpmiddelen voor het bepalen van de thermische stabiliteit en het ontledingsprofiel van de verschillende batterijcomponenten. Thermische runaway van de batterij kan ook onderzocht worden in zowel normale als extreme situaties.
11. Hoe kan de synthese van grafeenanode-materiaal worden onderzocht door middel van gelijktijdige thermische analyse?
Een eenvoudige en goedkope route om grafeen te verkrijgen is de reductie van grafeenoxide, dat gemakkelijk kan worden verkregen uit grafiet. De stapsgewijze reductie van grafeenoxide kan gemakkelijk worden gevolgd met TGA/DSC.
12. Waarom is het afsluiten van een separator belangrijk en hoe kan dit worden onderzocht?
Voor de veiligheid is het van belang dat de separator zich afsluit (d.w.z. porieafsluiting) voordat het smelten begint. Dit kan worden bevestigd door thermomechanische analyse (TMA), die het krimp- en smeltgedrag van het separatormembraan karakteriseert.
13. Kan agressief materiaal schade toebrengen aan het meetinstrument dat wordt gebruikt om een batch mengmest te formuleren?
Weegmodules en load cells worden doorgaans aan de buitenkant van een tank of menger geïnstalleerd, zodat het meettoestel niet in direct contact komt met hete, koude, agressieve of explosieve materialen. Bovendien zijn deze sensoren nauwkeurig, ongeacht vorm, oppervlak, Di-Electriciteit, Reynoldsgetal, viscositeit of andere materiaaleigenschappen.
14. Hoe kalibreer ik een industriële weegschaal in mijn machines en productiesysteem?
De loadcellen en weegmodules die zijn geïntegreerd in machines en productiesystemen zijn cruciale componenten die veilig en nauwkeurig moeten presteren. METTLER TOLEDO biedt kalibratiediensten op maat voor elke capaciteit om consistente resultaten en betrouwbare operaties te helpen garanderen. Deze diensten omvatten, testgewichtkalibratie, testgewicht- en materiaalvervangingskalibratie, RapidCal™ hydraulische kalibratie, en CalFreePlus gewichtloze kalibratie met POWERCELL®.
15. Wat is het voordeel van elektrolytvulling op basis van gewicht?
Het vullen van de elektrolyt direct bovenop de weeginrichting maakt een gesloten lus mogelijk tussen de sensor en de vulinrichting. Dat betekent dat u in staat bent het afvulapparaat voortdurend bij te stellen tijdens de volledige productie, waardoor onzekere factoren worden geëlimineerd en een consistente kwaliteit van de batterijcellen wordt gegarandeerd.
16. Hoe nauwkeurig kunt u het elektrolytvulproces meten?
Bij het kiezen van weegtechnologie voor het vullen van elektrolyt moeten belangrijke parameters, zoals afleesbaarheid, herhaalbaarheid en gevoeligheid, uw belangrijkste overwegingen zijn. Vermijd vooral het gebruik van resolutie als enige selectiecriterium, omdat dit alleen geen stabiele resultaten of hoge kwaliteit garandeert.
17. Kan ik verborgen onderdelen in batterijmodules opsporen met een industriële weegschaal?
Het is mogelijk een zogenaamde tarra- en kruisgewichtcontrole uit te voeren aan het eind van de assemblage van de batterijmodule. Met deze procedure kunt u controleren of alle producten aan boord zijn en of er tijdens de assemblage niets in de module is gevallen. Bovendien wordt de weging niet beïnvloed door glanzende aluminium oppervlakken.
18. Waarom is een nauwkeurige pH-regeling tijdens de productie van PCAM belangrijk?
De pH-waarde van het proces is rechtstreeks van invloed op de deeltjesgrootte en morfologie en is als zodanig verantwoordelijk voor de prestaties van de batterij; laden/ontladen.
19. Hoe kan ik PCAM-degradatie in kristallisatoren voorkomen?
De aanwezigheid van zuurstof in reactoren tijdens PCAM-synthese kan gemakkelijk leiden tot de vorming van ongewenste NCM-oxiden; Daarom is het belangrijk om een inerte atmosfeer in de hoofdruimte van de reactor te behouden. Continue, in-situ zuurstofmeting geeft onmiddellijke melding van het binnendringen van lucht of onvoldoende stikstofafdekking.
20. Hoe kan ik er tijdens PCAM-calcinatie zeker van zijn dat de zuurstofconcentratie op het vereiste niveau is?
Het meten van O2 in de ontluchtingsleiding van een PCAM-calciner is lastig vanwege hoge temperaturen, vocht en stof. De GPro 500 in situ (of in een extractieve configuratie) zuurstofanalyser verdraagt dergelijke omstandigheden en levert nauwkeurige metingen om een snelle procescontrole mogelijk te maken.