La demande en batteries lithium-ion rechargeables augmente rapidement et, par conséquent, les fabricants doivent répondre à des exigences strictes en matière de qualité de production et de développement des batteries.
METTLER TOLEDO propose une vaste gamme de solutions de caractérisation analytique pour le laboratoire et de balances de précision automatisées pour la fabrication. Ces solutions soutiennent le développement de l'assurance qualité (AQ) ainsi que les procédures de contrôle qualité (CQ) dans le cadre de la production de batteries lithium-ion.
Nos solutions industrielles et de laboratoire innovantes prennent en charge les différentes étapes de la chaîne de valeur des batteries lithium-ion : des analyses des matières premières et des composants de la batterie jusqu'à la production et au contrôle qualité final.
Le marché en plein essor des appareils électroniques portables, ainsi que la révolution des véhicules électriques, ont entraîné une demande tout aussi importante en batteries rechargeables. Les batteries lithium-ion (LIB) sont à la pointe de la technologie dans ce domaine. Ce type de batterie offre une masse volumique énergétique élevée, car elle est légère et puissante. Elle offre également une bonne durabilité de cycle. En effet, elle peut être chargée et rechargée avec peu de perte énergétique à chaque cycle et un faible taux d'autodécharge.
Le diagramme de batterie lithium-ion illustre son principe de fonctionnement. Les batteries LIB stockent de l'énergie qui est libérée par une réaction électrochimique entre l'anode et la cathode. La cathode et l'anode contiennent toutes d'eux des ions lithium chargés positivement.
Au cours de la décharge, la réaction d'oxydation à l'anode libère des électrons et des cations lithium. Les électrons circulent jusqu'à la cathode par un fil externe. Pour fermer le circuit électrique, les cations lithium passent dans l'électrolyte liquide et le séparateur jusqu'à la cathode, où ils se recombinent sous l'effet d'une réaction de réduction.
Lors de la recharge, les réactions au niveau des électrodes s'inversent et les ions lithium circulent dans le sens opposé. Les ions lithium ne participent pas à la réaction électrochimique globale et restent dans leur état d'oxydation.
Les solutions électrolytiques couramment utilisées dans les batteries lithium-ion commerciales se composent de solvants organiques (principalement des carbonates cycliques et linéaires), de sels de lithium et de divers additifs. Les électrolytes et autres matériaux des batteries Li-ion doivent être exempts d'eau, car même des traces réagissent avec l'électrolyte pour produire des sous-produits agressifs. Ces sous-produits peuvent inclure de l'acide fluorhydrique et compromettre les performances ainsi que la sécurité des batteries. L'eau ayant une très mauvaise influence, il est essentiel de tester systématiquement la teneur en eau de l'électrolyte.
Le titrage coulométrique karl fischer est la méthode de choix pour déterminer la teneur en eau de l'électrolyte de manière précise et exacte. Il est possible de déterminer la présence dans l'électrolyte non seulement de l'eau, mais aussi du produit de dégradation nuisible lui-même, l'acide fluorhydrique (HF). Le titrage acido-basique s'est avéré être une méthode précise et fiable pour tester la teneur en HF de l'électrolyte de la batterie.
La masse volumique d'un liquide dépend de sa composition moléculaire. Un contrôle rapide de la masse volumique à l'aide d'un densimètre METTLER TOLEDO peut aider à révéler les contaminations de l'électrolyte par de l'eau ou d'autres impuretés.
On utilise l'analyse calorimétrique différentielle (DSC) en CQ pour étudier la composition et le contenu des carbonates dans les solutions électrolytiques. Ces solutions ont des implications importantes pour la stabilité du cycle, la masse volumique énergétique et la sécurité des batteries lithium-ion. La DSC fournit également des informations sur la fusion et la cristallisation de l'électrolyte afin de déterminer les températures minimales pour les processus de charge/décharge.
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Notes d'application:
Les performances et la sécurité des électrodes sont largement influencées par la dégradation et le vieillissement du matériau actif de la cathode induits par les charges/décharges.
Pour la caractérisation des batteries lithium-ion, les techniques d'analyse thermique constituent des aides fondamentales dans les études de stabilité thermique. Elles fournissent des mesures précises pour la capacité thermique, les températures de décomposition et la détermination de l'enthalpie. Pour obtenir plus d'informations sur les composants de la dégradation à partir d'une seule expérience, on peut associer une TGA ou une TGA / DSC METTLER TOLEDO à un système d'analyse de gaz approprié. Cette association permet de réaliser, par exemple, une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, une spectroscopie de masse, une chromatographie en phase gazeuse-spectroscopie de masse ou une microchromatographie en phase gazeuse-spectroscopie de masse.
De la même manière que pour l'électrolyte, les analyses de cathode et d'anode comprennent l'analyse de la teneur en eau avant l'utilisation des composants dans la batterie. Le passeur d'échantillons automatique avec Four KF InMotion de METTLER TOLEDO chauffe le matériau solide à des températures élevées, extrait son eau et la dirige vers un titrateur coulométrique karl fischer, où elle sera détectée.
En outre, on peut utiliser le titrage pour déterminer la teneur en métaux (par exemple, le cobalt, le manganèse, le fer, le nickel) du matériau de la cathode. On peut également l'utiliser pour rechercher des impuretés telles que les chlorures, les hydroxydes et les carbonates.
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Notes d'application:
Les séparateurs des batteries Li-ion ont un impact crucial sur les performances et la durée de vie des batteries, ainsi que sur leur fiabilité et leur sécurité. Par exemple, la dégradation du matériau du séparateur est souvent la cause première d'un court-circuit interne entraînant une défaillance de la cellule. Il est donc très important de disposer de méthodes fiables pour tester et analyser les séparateurs.
On utilise l'analyse thermique pour caractériser les propriétés thermiques des séparateurs. Ils sont généralement fabriqués à partir de polyoléfines telles que le PP ou le PE. Les limites technologiques de ces membranes comprennent la résistance à la pénétration, le rétrécissement et la fusion. Ces propriétés peuvent être étudiées par thermogravimétrie (TGA), analyse calorimétrique différentielle (DSC) et analyse thermomécanique (TMA).
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Des matériaux de départ jusqu'au produit final de haute qualité, la production des batteries lithium-ion nécessite jusqu'à 25 étapes différentes. Ces étapes permettent d'obtenir la qualité et les performances requises. Le pesage, y compris la détermination de la teneur en humidité, est essentiel pour assurer la cohérence et la traçabilité tout au long de la chaîne de fabrication.
Les matières premières onéreuses constituent jusqu'à 60 % des coûts totaux de production des cellules. Le pesage est la méthode la plus précise pour respecter les tolérances de processus afin d'assurer la cohérence de la formulation et d'éviter les déchets coûteux.
Une fois les électrodes empilées, le pesage est la solution idéale pour le remplissage de l'électrolyte. Même s'il est possible de contrôler le débit d'électrolyte, la précision des équipements de pesage haute précision garantit un contrôle qualité fiable à 100 %.
Les pièces manquantes ou les pièces cachées pouvant tomber par accident dans le module peuvent prendre feu et détruire le module. Il est possible d'éliminer ce risque en effectuant un contrôle d'exhaustivité à l'aide d'une balance haute résolution, ce qui permet aussi d'éliminer les problèmes de détection liés aux surfaces brillantes.
Il est essentiel d'effectuer un contrôle strict de la teneur en solides et en humidité pendant la production des électrodes. En effet, la teneur en solides des boues d'électrodes affecte la qualité du revêtement et donc les performances des électrodes. Un dessiccateur halogène peut réaliser cette tâche rapidement et facilement
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Notes d'application:
Mesure de l’humidité dans les batteries lithium-ion
Détermination de l’eau dans le NMP par densité
Applications de pesage en laboratoire dans l’industrie des batteries lithium-ion
Études de cas:
Livres électroniques :
Production de batteries lithium-ion – Valises de pesage industrielles automatisées
Les performances des batteries dépendent dans une large mesure de la pureté du matériau actif de la cathode (CAM) et de la taille des particules du matériau précurseur, le PCAM.
Pendant la précipitation/cristallisation, il est très important d'effectuer un contrôle continu de la mesure de pH dans les procédés industriels pour influencer la morphologie et la distribution des particules de PCAM. La variabilité du processus peut radicalement changer le profil morphologique et n'est donc pas souhaitable. La mesure précise du pH en ligne est une condition préalable pour maintenir la cohérence du processus.
La précipitation du PCAM (hydroxydes métalliques) peut s'incruster sur les capteurs de procédé et entraîner une dérive des mesures.
Le capteur intelligent de mesure de pH dans les procédés industriels InPro 4260i de METTLER TOLEDO est conçu pour les processus de fabrication de PCAM avec des concentrations élevées de solides en suspension. Associé au système de nettoyage automatique EasyClean 200, METTLER TOLEDO propose la solution de mesure ultime pour un contrôle fiable de la mesure de pH dans les procédés industriels lors de la fabrication de PCAM.
Le réacteur nécessite un faible niveau d'oxygène pour éviter l'oxydation du PCAM. Le InPro 6850i est un capteur d'oxygène in situ à faible encombrement fabriqué par METTLER TOLEDO. Il mesure avec précision les niveaux d'oxygène dans l'espace de tête du réacteur et permet un contrôle rapide du gaz inerte
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Web-séminaires:
Guide : Cycle de vie de la batterie lithium-ion
Garantissez les performances et la sécurité tout au long de la chaîne de valeur des batteries : optimisez les processus et tirez parti de la haute précision pour garantir les performances et la sécurité des batteries.
Instruments
FAQ
Qu'est-ce que l'analyse des batteries lithium-ion et comment fonctionne-t-elle?
Choisissez la question qui vous intéresse:
- Quel est l'avantage des batteries lithium-ion ?
- Quelle est la durée de vie d'une batterie lithium-ion ?
- Quelle est la température de fonctionnement sûre pour une batterie lithium-ion ?
- Quelle est l'influence de l'eau à l'intérieur d'une batterie lithium-ion ?
- Quels composants de la batterie doivent être testés pour la présence d'eau ?
- Faut-il tester l'électrolyte à la fois pour l'eau et l'acide fluorhydrique avant de le verser dans la batterie ?
- Quelle est la méthode de choix pour tester la présence d'eau dans l'électrolyte ?
- Quelle est la méthode recommandée pour vérifier la présence d'eau dans la cathode solide, l'anode et le séparateur ?
- Faut-il vérifier la masse volumique de l'électrolyte ?
- Comment l'analyse thermique peut-elle contribuer à l'étude de la sécurité des batteries lithium-ion ?
- Comment peut-on étudier la synthèse du matériau anodique en graphène par analyse thermique simultanée ?
- Pourquoi l'arrêt du séparateur est-il important et comment l'étudier ?
- Un matériau agressif peut-il endommager l'instrument de mesure utilisé pour formuler un lot de boue ?
- Comment étalonner une balance industrielle dans mon système de production et mes machines ?
- Quel est l'avantage du remplissage d'électrolyte basé sur le poids ?
- Quelle est la précision de mesure du processus de remplissage d'électrolyte ?
- Puis-je détecter les pièces cachées dans les modules de batterie avec une balance industrielle ?
- Pourquoi un contrôle précis de la mesure de pH dans les procédés industriels est-il important lors de la fabrication de PCAM ?
- Comment puis-je éviter la dégradation du PCAM dans les cristalliseurs ?
- Pendant la calcination du PCAM, comment puis-je m’assurer que la concentration d’oxygène est au niveau requis ?
1. Quel est l'avantage des batteries lithium-ion ?
Les batteries lithium-ion peuvent être rechargées des centaines de fois et sont plus stables. Elles ont tendance à présenter une masse volumique énergétique et une capacité de tension plus élevées ainsi qu'un taux d'autodécharge plus faible que les autres batteries rechargeables.
2. Quelle est la durée de vie d'une batterie lithium-ion ?
La durée de vie typique d'une batterie lithium-ion est d'environ deux à trois ans ou 300 à 500 cycles de charge.
3. Quelle est la température de fonctionnement sûre pour une batterie lithium-ion?
Les batteries lithium-ion fonctionnent de manière optimale lorsqu'elles sont chargées entre 0 °C et 45 °C. La température de décharge optimale se situe entre -20 °C et 60 °C.
4. Quelle est l'influence de l'eau à l'intérieur d'une batterie lithium-ion?
L'eau à l'intérieur d'une batterie lithium-ion réagit avec l'électrolyte pour former des produits nocifs comme l'acide fluorhydrique (HF). Les produits chimiques formés entraînent une dégradation des électrodes, perturbent le fonctionnement général et réduisent finalement la capacité de la batterie. De plus, l'eau peut entraîner un emballement thermique, conduisant à une explosion de la batterie.
5. Quels composants de la batterie doivent être testés pour la présence d'eau?
Tous les composants de la batterie doivent être testés pour l'eau avant d'être intégrés à la batterie. Tous les composants qui sont en contact les uns avec les autres via l'électrolyte liquide.
6. Faut-il tester l'électrolyte à la fois pour l'eau et l'acide fluorhydrique avant de le verser dans la batterie?
L'acide fluorhydrique (HF) est connu pour avoir une mauvaise influence sur les performances de la batterie. Il se forme par réaction de l'électrolyte avec l'eau. Cette réaction peut se produire à l'intérieur d'une batterie, mais aussi lors de la production de l'électrolyte. Il est donc important de tester l'électrolyte non seulement pour l'eau, mais aussi pour l'acide fluorhydrique lui-même avant de le verser dans le boîtier de la batterie.
7. Quelle est la méthode de choix pour tester la présence d'eau dans l'électrolyte?
Le titrage coulométrique karl fischer (KF) est la meilleure méthode pour déterminer les teneurs en eau faibles dans les échantillons comme les électrolytes. L'analyse est rapide, fiable et ne nécessite aucune préparation de l'échantillon. On injecte l'échantillon d'électrolyte dans le récipient de titrage puis on obtient le résultat après 1 à 2 minutes.
8. Quelle est la méthode recommandée pour vérifier la présence d'eau dans la cathode solide, l'anode et le séparateur?
Les échantillons solides ne peuvent pas être injectés directement dans un récipient de titrage Karl Fischer. Il faut donc utiliser un four d'extraction en phase gazeuse pour extraire l'eau dans un premier temps. Le four InMotion KF chauffe automatiquement l'échantillon solide à des températures élevées. Un flux d'azote sec transporte ensuite l'eau vaporisée vers la cellule de titrage coulométrique, où elle sera détectée. L'analyse est entièrement automatisée. On remplit l'électrode dans les flacons puis on lance la méthode avec OneClick™.
9. Faut-il vérifier la masse volumique de l'électrolyte?
La masse volumique d'un liquide dépend de sa composition. L'eau et les autres impuretés modifient la masse volumique de l'électrolyte. Un contrôle rapide de la masse volumique de l'électrolyte peut révéler des contaminations ainsi qu'une mauvaise qualité.
10. Comment l'analyse thermique peut-elle contribuer aux analyses de sécurité des batteries lithium-ion?
L'analyse thermogravimétrique (TGA) et l'analyse calorimétrique différentielle (DSC) sont des outils précieux pour déterminer la stabilité thermique ainsi que le profil de décomposition des différents composants de la batterie. Aussi, il est parfois nécessaire d'étudier l'emballement thermique de la batterie, des situations normales comme extrêmes.
11. Comment peut-on étudier la synthèse du matériau anodique en graphène par analyse thermique simultanée?
Une méthode simple et peu coûteuse pour obtenir du graphène consiste à réduire l'oxyde de graphène, que l'on peut facilement obtenir à partir du graphite. La réduction par étapes de l'oxyde de graphène peut être facilement suivie par TGA / DSC.
12. Pourquoi l'arrêt du séparateur est-il important et comment l'étudier?
Pour des raisons de sécurité, il est important que le séparateur s'arrête (c'est-à-dire que les pores se ferment) avant le début de la fusion. L'analyse thermomécanique (TMA) peut confirmer cet arrêt, car elle caractérise le comportement de rétraction et de fusion de la membrane du séparateur.
13. Un matériau agressif peut-il endommager l'instrument de mesure utilisé pour formuler un lot de boue?
On installe généralement les capteurs de pesage et de force à l'extérieur d'une cuve ou d'un mélangeur. Ainsi, l'instrument de mesure ne se trouve pas en contact direct avec des matières chaudes, froides, agressives ou explosives. De plus, ces capteurs restent précis, quelles que soient la forme, la surface, la diélectricité, le nombre de Reynolds, la viscosité ou toute autre caractéristique du matériau.
14. Comment étalonner une balance industrielle dans mon système de production et mes machines?
Les capteurs de force et de pesage intégrés dans les machines et les systèmes de production sont des composants cruciaux qui doivent fonctionner de manière sûre et précise. Nos services personnalisés d'étalonnage couvrent n'importe quelle portée, afin de garantir des résultats cohérents et des opérations fiables. Ces services comprennent les étalonnages suivants : étalonnage des poids étalons ; étalonnage des poids étalons et par substitution de matériaux ; étalonnage hydraulique RapidCal™ ; étalonnage sans poids CalFreePlus avec POWERCELL®.
15. Quel est l'avantage du remplissage d'électrolyte basé sur le poids?
Le remplissage de l'électrolyte directement sur le dessus de l'instrument de pesage permet une boucle fermée entre le capteur et le dispositif de remplissage. Vous pouvez donc ajuster constamment l'instrument de remplissage pendant toute la production, ce qui élimine les facteurs d'incertitude et garantit une qualité constante des cellules de batterie.
16. Quelle est la précision de mesure du processus de remplissage d'électrolyte?
Lors du choix d'une technologie de pesage pour le remplissage d'électrolyte, des paramètres importants, tels que la précision d'affichage, la répétabilité et la sensibilité, sont essentiels à prendre en compte. En outre, la résolution ne doit surtout pas être votre seul critère de sélection, car, à elle seule, elle ne peut garantir des résultats stables ou une qualité élevée.
17. Puis-je détecter les pièces cachées dans les modules de batterie avec une balance industrielle?
Il est possible d'effectuer une vérification de la tare et du poids croisé à la fin de l'assemblage du module de batterie. Cette procédure vous permet de vérifier que tous les produits sont présents et que rien n'est tombé dans le module pendant l'assemblage. De plus, le pesage n'est pas influencé par les surfaces brillantes en aluminium.
18. Pourquoi un contrôle précis de la mesure de pH dans les procédés industriels est-il important lors de la fabrication de PCAM?
La mesure de pH dans les procédés industriels affecte directement la taille et la morphologie des particules, et ainsi, influe sur les performances de la batterie (charge/décharge).
19. Comment puis-je éviter la dégradation du PCAM dans les cristalliseurs ?
La présence d’oxygène dans les réacteurs lors de la synthèse de la PCAM peut facilement conduire à la formation d’oxydes NCM indésirables ; Par conséquent, il est important de maintenir une atmosphère inerte dans l’espace libre du réacteur. La mesure continue et in situ de l’oxygène fournit une notification immédiate de la pénétration d’air ou d’une insuffisante couverture d’azote.
20. Pendant la calcination du PCAM, comment puis-je m’assurer que la concentration d’oxygène est au niveau requis ?
La mesure de l’O2 dans la conduite d’aération d’un calcinateur PCAM est délicate en raison des températures élevées, de l’humidité et de la poussière. L’analyseur d’oxygène in situ (ou en configuration extractive) GPro 500 tolère de telles conditions et fournit des mesures précises pour permettre un contrôle rapide du processus.