Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus steigt schnell und die Hersteller müssen hohe Anforderungen an die Produktionsqualität und die Weiterentwicklung der Akkus erfüllen.
Das umfangreiche Portfolio von METTLER TOLEDO an analytischen Charakterisierungslösungen für Labore und automatisierten Präzisionswaagen für die Fertigung unterstützt die Entwicklung der Qualitätssicherung (QS) und Qualitätskontrollverfahren (QK) bei der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus.
Unsere innovativen Labor- und Industrielösungen unterstützen die verschiedenen Schritte in der Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Akkus – von der Prüfung der Rohstoffe und Akkukomponenten bis hin zur Produktion und abschliessenden Qualitätskontrolle.
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Der stetig wachsende Markt für tragbare elektronische Geräte und die zunehmende Geschwindigkeit der Umstellung auf Elektrofahrzeuge haben zu gleichen Teilen zu einer grossen Nachfrage nach Akkus geführt. Lithium-Ionen-Akkus sind aktuell der neueste Stand der Technik. Dieser Akkutyp weist eine hohe Energiedichte auf, da er leicht und dennoch leistungsstark ist. Des Weiteren zeichnet er sich durch eine gute Zyklenfestigkeit aus, da er ohne grossen Energieverlust von Zyklus zu Zyklus wiederaufgeladen werden kann. Außerdem verfügt er über eine niedrige Selbstentladungsrate.
Das Schema eines Lithium-Ionen-Akkus veranschaulicht das Funktionsprinzip. Lithium-Ionen-Akkus speichern Energie, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Anoden- und Kathodenmaterial freigesetzt wird. Kathode sowie Anode enthalten positiv geladene Lithiumionen.
Bei der Entladung setzt die Oxidationsreaktion an der Anode Elektronen und Lithiumkationen frei. Die Elektronen fliessen durch einen externen Draht zur Kathode. Zum Schliessen des Stromkreises fliessen Lithium-Kationen durch den flüssigen Elektrolyten und den Separator zur Kathode, wo sie durch eine Reduktionsreaktion rekombinieren.
Während des Aufladens werden die Reaktionen an den Elektroden umgekehrt und die Lithium-Ionen fliessen in die entgegengesetzte Richtung. Die Lithium-Ionen nehmen nicht an der elektrochemischen Gesamtreaktion teil und verbleiben in ihrem Oxidationszustand.
Die in handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus verwendeten Elektrolytlösungen bestehen aus organischen Lösungsmitteln (meist zyklische und lineare Karbonate), Lithiumsalzen und verschiedenen Zusätzen. Elektrolyte und andere Materialien in Lithium-Ionen-Akkus müssen frei von Wasser sein, da selbst kleinste Mengen mit dem Elektrolyten reagieren und aggressive Nebenprodukte wie Flusssäure bilden, die die Leistung und Sicherheit des Akkus beeinträchtigen. Da Wasser einen so schlechten Einfluss hat, muss der Wassergehalt des Elektrolyten routinemässig überprüft werden.
Die coulometrische Karl-Fischer-Titration ist die bevorzugte Methode zur präzisen und genauen Bestimmung des Wassergehalts von Elektrolyten. Im Elektrolyten kann nicht nur Wasser, sondern auch das schädliche Abbauprodukt selbst, die Flusssäure (HF), bestimmt werden. Die Säure-Base-Titration hat sich als präzise und zuverlässige Methode zur Prüfung des HF-Gehalts im Elektrolyt des Akkus erwiesen.
Die Dichte einer Flüssigkeit ist von ihrer molekularen Zusammensetzung abhängig. Eine schnelle Dichteprüfung mit einem Dichtemessgerät von METTLER TOLEDO kann helfen, Elektrolytkontaminationen mit Wasser oder anderen Verunreinigungen aufzudecken.
Die Dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC) wird in der QK eingesetzt, um die Zusammensetzung und den Gehalt von Karbonaten in elektrolytischen Lösungen zu untersuchen, die wichtige Auswirkungen auf die Zyklenstabilität, Energiedichte und Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus haben. Die DSC liefert auch Informationen über das Schmelzen und die Kristallisation von Elektrolyten, aus denen sich die Mindesttemperaturen für Lade- und Entladevorgänge ableiten lassen.
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Die Leistung und Sicherheit von Elektroden wird weitgehend durch die ladungs- bzw. entladungsinduzierte Alterung und Zersetzung des kathodenaktiven Materials beeinflusst.
Durch die Möglichkeit präziser Messungen von Wärmekapazität, Zersetzungstemperaturen und Enthalpiebestimmungen sind Verfahren der thermischen Analyse eine grosse Hilfe bei Studien zur thermischen Stabilität für die Charakterisierung von Lithium-Ionen-Akkus. Um mehr Informationen über Abbaubestandteile aus einem einzigen Experiment zu erhalten, kann eine TGA oder TGA/DSC von METTLER TOLEDO mit einem geeigneten Gasanalysesystem gekoppelt werden, um beispielsweise Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie, Massenspektroskopie, Gaschromatographie–Massenspektroskopie oder Mikro-Gaschromatographie–Massenspektroskopie durchzuführen.
Ähnlich wie beim Elektrolyten umfasst die Prüfung von Kathode und Anode die Analyse des Wassergehalts bevor die Komponenten im Akku verwendet werden. Der InMotion-KF-Ofen-Autosampler von METTLER TOLEDO erwärmt den Feststoff auf hohe Temperaturen, entzieht ihm das Wasser und leitet es in einen Coulometrischen Karl-Fischer-Titrator, in dem es gemessen wird.
Darüber hinaus können Titrationen zur Bestimmung des Metallgehalts (z. B. Kobalt, Mangan, Eisen, Nickel) des Kathodenmaterials sowie zur Prüfung des Materials auf Verunreinigungen wie Chloride, Hydroxide und Karbonate eingesetzt werden.
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Separatoren für Lithium-Ionen-Akkus haben einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung, Lebensdauer sowie Zuverlässigkeit und Sicherheit des Akkus. Zum Beispiel ist die Zersetzung des Separatormaterials häufig die Ursache für einen internen Kurzschluss, der zum Ausfall der Zelle führt. Daher sind zuverlässige Methoden zur Prüfung und Analyse von Separatoren sehr wichtig.
Die thermische Analyse wird zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von Separatoren verwendet, die in der Regel aus Polyolefinen wie PP oder PE hergestellt werden. Zu den technologischen Grenzen solcher Membranen gehören der Durchdringungswiderstand, die Schrumpfung und das Schmelzen. Diese Eigenschaften können mittels der folgenden Techniken untersucht werden: Thermogravimetrie (TGA), Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Thermomechanische Analyse (TMA).
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Auf dem Weg von den Ausgangsmaterialien bis zum Qualitätsprodukt durchläuft ein Lithium-Ionen-Akku bis zu 25 Produktionsschritte, welche die Grundlage für die geforderte Qualität und Leistung bilden. Das Wägen einschliesslich der Feuchtegehaltbestimmung ist der Schlüssel zur Gewährleistung von Konsistenz und Rückverfolgbarkeit entlang der gesamten Produktionskette.
Die teuren Ausgangsmaterialien machen bis zu 60 % der gesamten Zellenproduktionskosten aus. Wägen ist die genaueste Methode, um enge Prozesstoleranzen für die Konsistenz in der Formulierung einzuhalten und kostspieligen Ausschuss zu vermeiden.
Nach dem Stapeln der Elektroden ist Wägen die Lösung für das Einfüllen des Elektrolyten. Auch wenn der Elektrolytfluss kontrolliert werden kann, kann die Genauigkeit hochpräziser Waagen eine 100-prozentige Qualitätskontrolle gewährleisten.
Fehlende oder verborgene Teile, die versehentlich in das Modul gefallen sein könnten, können einen Brand verursachen und das Modul zerstören. Dies kann durch eine Vollständigkeitsprüfung mit einer Hochpräzisions-Waage vermieden werden. Dadurch werden sogar Fehler beseitigt, die auf glänzende Oberflächen zurückzuführen sind.
Da der Feststoffgehalt von Elektroden-Aufschlämmungen die Beschichtungsqualität und damit die Elektrodenleistung beeinflusst, ist eine strenge Kontrolle des Feststoff- bzw. Feuchtegehalts während der Herstellung von Elektroden entscheidend. Dies kann schnell und einfach mit einem Halogen Moisture Analyzer durchgeführt werden.
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Die Akkuleistung hängt in hohem Masse von der Reinheit des kathodenaktiven Materials (CAM) und der Partikelgrösse des Vormaterials (PCAM) ab.
Während der Fällung/Kristallisation ist die kontinuierliche Kontrolle des pH-Werts im Prozess von höchster Bedeutung, um die Morphologie und Verteilung der PCAM-Partikel zu beeinflussen. Prozessvariabilität kann das Morphologieprofil drastisch verändern und ist daher unerwünscht. Eine genaue Inline-pH-Messung ist Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der Prozesskonsistenz.
Abscheidungen von PCAM (Metallhydroxide) können Prozesssensoren erreichen und zu Messabweichungen führen.
Der intelligente Prozess-pH-Sensor InPro 4260i von METTLER TOLEDO ist für PCAM-Herstellungsprozesse mit hohen Konzentrationen an suspendierten Feststoffen ausgelegt. Durch eine Kombination mit dem automatischen Reinigungssystem EasyClean 200 bietet METTLER TOLEDO die ultimative Messlösung für eine zuverlässige pH-Kontrolle im PCAM-Prozess.
Der Reaktor erfordert einen niedrigen Sauerstoffgehalt, um eine Oxidation von PCAM zu vermeiden. Der InPro 6850i ist ein In-situ-Sauerstoffsensor von METTLER TOLEDO mit geringem Platzbedarf, der den Sauerstoffgehalt im Reaktorkopfraum genau misst und eine schnelle Kontrolle des Inertgases ermöglicht.
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Leitfaden: Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien
Gewährleistung von Leistung und Sicherheit entlang der Batterie-Wertschöpfungskette: Optimieren Sie Prozesse und nutzen Sie hohe Präzision, um die Leistung und Sicherheit von Batterien zu gewährleisten.
Instruments
FAQ
Was versteht man unter dem Testen eines Lithium-Ionen-Akkus und wie funktioniert es?
- Was ist der Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus?
- Was ist die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus?
- Was ist die sichere Betriebstemperatur eines Lithium-Ionen-Akkus?
- Was ist der Einfluss von Wasser im Inneren eines Lithium-Ionen-Akkus?
- Welche Akkukomponenten müssen auf Wasser getestet werden?
- Sollte der Elektrolyt sowohl auf Wasser als auch auf Flusssäure getestet werden, bevor er in den Akku gefüllt wird?
- Was ist die bevorzugte Methode zum Prüfen des Elektrolyts auf Wasser?/a>
- Welche Methode wird empfohlen, um die feste Kathode, die Anode und den Separator auf Wasser zu testen?
- Sollte die Dichte des Elektrolyts überprüft werden?
- Wie kann die thermische Analyse zur Sicherheitsprüfung von Lithium-Ionen-Akkus beitragen?/a>
- Wie kann die Synthese von Graphenanodenmaterial durch simultane thermische Analyse untersucht werden?
- Warum ist der Separatorverschluss wichtig und wie kann dieser überprüft werden?
- Kann aggressives Material das Messgerät, das zur Formulierung einer Suspensionscharge verwendet wird, beschädigen?
- Wie kalibriere ich eine Industriewaage in meinem Maschinen- und Produktionssystem?
- Was ist der Vorteil einer Elektrolytfüllung auf Gewichtsbasis?
- Wie genau kann der Elektrolytfüllprozess gemessen werden?
- Kann ich mit einer Industriewaage verborgene Teile in Akkumodulen aufspüren?
- Warum ist eine genaue pH-Kontrolle des Prozesses während der PCAM-Herstellung wichtig?
- Wie kann ich den PCAM-Abbau in Kristallisatoren vermeiden?
- Wie kann ich während der PCAM-Kalzinierung sicher sein, dass die Sauerstoffkonzentration auf dem erforderlichen Niveau ist?
1. Was ist der Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus?
Lithium-Ionen-Akkus können hunderte Male wiederaufgeladen werden und sind stabiler. Sie haben tendenziell eine höhere Energiedichte, Spannungskapazität und eine geringere Selbstentladungsrate als andere Akkus.
2.Was ist die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus?
Die typische Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus beträgt etwa zwei bis drei Jahre oder 300 bis 500 Ladezyklen, je nachdem, was zuerst eintritt.
3. Was ist die sichere Betriebstemperatur eines Lithium-Ionen-Akkus?
Lithium-Ionen-Akkus funktionieren optimal, wenn sie bei 0 bis 45 °C geladen werden. Die optimale Entladetemperatur liegt zwischen -20 und +60 °C.
4. Was ist der Einfluss von Wasser im Inneren eines Lithium-Ionen-Akkus?
Das Wasser in einem Lithium-Ionen-Akku reagiert mit dem Elektrolyten und bildet schädliche Produkte wie Flusssäure (HF). Diese Chemikalien führen zu einer Zersetzung der Elektroden, stören die Gesamtfunktion und senken letztlich die Kapazität. Darüber hinaus kann Wasser zu einem thermischen Durchgehen führen, das eine Explosion des Akkus zur Folge hat.
5. Welche Akkukomponenten müssen auf Wasser getestet werden?
Alle Akkukomponenten müssen auf Wasser getestet werden, bevor sie in den Akku eingebaut werden. Alle Komponenten, die über den flüssigen Elektrolyten miteinander in Kontakt sind.
6. Sollte der Elektrolyt sowohl auf Wasser als auch auf Flusssäure getestet werden, bevor er in den Akku gefüllt wird?
Flusssäure (HF) hat bekanntlich einen schlechten Einfluss auf die Akkuleistung. Sie bildet sich durch eine Reaktion des Elektrolyten mit Wasser. Diese Reaktion kann innerhalb eines Akkus, aber auch bei der Herstellung des Elektrolyten auftreten. Daher ist es wichtig, dass der Elektrolyt nicht nur auf Wasser, sondern auch auf HF selbst getestet wird, bevor er in das Akkugehäuse eingefüllt wird.
7. Was ist die bevorzugte Methode zum Prüfen des Elektrolyts auf Wasser??
Coulometric Karl Fischer (KF) titration is the method of choice to determine low water content in samples such as electrolytes. The analysis is fast, reliable and no sample preparation is needed at all. The electrolyte sample is injected into the titration vessel and the result is obtained after 1-2 minutes.
8. Welche Methode wird empfohlen, um die feste Kathode, die Anode und den Separator auf Wasser zu testen?
Feststoffproben können nicht direkt in ein Gefäss zur Karl-Fischer-Titration injiziert werden. Daher wird ein Ofen für eine Gasphasenextraktion benötigt, um das Wasser zunächst zu extrahieren. Der InMotion KF-Ofen erhitzt die Feststoffprobe automatisch auf hohe Temperaturen. Daraufhin transportiert ein Strom aus trockenem Stickstoff das verdampfte Wasser zur coulometrischen Titrierzelle, in der es gemessen wird. Die Analyse erfolgt vollautomatisch. Die Elektrode wird in die Fläschchen gefüllt und die Methode wird durch OneClick™ gestartet.
9. Sollte die Dichte des Elektrolyts überprüft werden?
Die Dichte einer Flüssigkeit ist von ihrer Zusammensetzung abhängig. Wasser und andere Verunreinigungen verändern die Dichte des Elektrolyts. Eine schnelle Dichteprüfung des Elektrolyten kann Verunreinigungen und schlechte Qualität erkennbar machen.
10. Wie kann die thermische Analyse zur Sicherheitsprüfung von Lithium-Ionen-Akkus beitragen?
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) und die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) sind wertvolle Werkzeuge zur Bestimmung der thermischen Stabilität und des Zersetzungsprofils der verschiedenen Akkukomponenten. Auch das thermische Durchgehen des Akkus kann in normalen sowie in extremen Situationen untersucht werden.
11. Wie kann die Synthese von Graphenanodenmaterial durch simultane thermische Analyse untersucht werden?
Ein einfacher und kostengünstiger Weg zur Gewinnung von Graphen ist die Reduktion von Graphenoxid, das leicht aus Graphit gewonnen werden kann. Die schrittweise Reduktion von Graphenoxid kann mittels TGA/DSC leicht verfolgt werden.
12. Warum ist der Separatorverschluss wichtig und wie kann dieser überprüft werden?
Aus Sicherheitsgründen ist es wichtig, dass sich der Separator vor Beginn des Schmelzvorgangs verschliesst (d. h. Porenverschluss). Dies kann durch die thermomechanische Analyse (TMA) bestätigt werden, die das Schrumpf- und Schmelzverhalten der Separatormembran charakterisiert.
13. Kann aggressives Material das Messgerät, das zur Formulierung einer Suspensionscharge verwendet wird, beschädigen??
Wägemodule und Wägezellen werden in der Regel an der Aussenseite eines Tanks oder Mischers installiert, sodass das Messgerät keinen direkten Kontakt mit heissen, kalten, aggressiven oder explosiven Materialien hat. Darüber hinaus sind diese Sensoren unabhängig von Form, Oberfläche, Dielektrizitätskonstante, Reynolds-Zahl, Viskosität oder sonstigen Materialeigenschaften präzise.
14. Wie kalibriere ich eine Industriewaage in meinem Maschinen- und Produktionssystem?
Die Wägezellen und Wägemodule, die in Maschinen und Produktionssysteme integriert sind, sind entscheidende Komponenten, die sicher und genau funktionieren müssen. METTLER TOLEDO bietet für alle Lasten massgeschneiderte Serviceleistungen für die Kalibrierung, damit Sie konsistente Ergebnisse erhalten und auf einen verlässlichen Betrieb vertrauen können. Diese Services umfassen die Kalibrierung von Prüfgewichten und Materialersatz, die hydraulische RapidCal™-Kalibrierung und die CalFreePlus-Kalibrierung ohne Gewicht mit POWERCELL®.
15. Was ist der Vorteil einer Elektrolytfüllung auf Gewichtsbasis?
Das direkte Einfüllen des Elektrolyten auf der Wägevorrichtung ermöglicht einen geschlossenen Kreislauf zwischen dem Sensor und der Füllvorrichtung. Das bedeutet, dass Sie in der Lage sind, die Füllvorrichtung während der gesamte Produktion ständig anzupassen, wodurch Unsicherheitsfaktoren eliminiert werden und eine gleichbleibende Qualität der Akkuzellen garantiert wird.
16. Wie genau kann der Elektrolytfüllprozess gemessen werden?
Wenn Sie sich für Wägetechnologie für die Elektrolytbefüllung entscheiden, müssen Parameter wie Lesbarkeit, Wiederholbarkeit oder Empfindlichkeit von höchster Priorität sein. Vor allem sollte die Auflösung nicht Ihr einziges Auswahlkriterium sein, da Sie allein dadurch keine stabilen Resultate und keine hohe Qualität erzielen.
17. Kann ich mit einer Industriewaage verborgene Teile in Akkumodulen aufspüren?
Es ist möglich, zum Ende der Montage des Akkumoduls eine so genannte Tara- und Quergewichtsprüfung vorzunehmen. Anhand dieses Verfahrens können Sie überprüfen, ob sich alle Produkte an ihrem Platz befinden und bei der Montage nichts in das Modul gefallen ist. Darüber hinaus wird das Wägen nicht durch glänzende Aluminiumoberflächen beeinflusst.
18. Warum ist eine genaue pH-Kontrolle des Prozesses während der PCAM-Herstellung wichtig?
Der pH-Wert des Prozesses hat einen direkten Einfluss auf die Partikelgrösse und -morphologie und ist als solcher für die Batterieleistung (Laden/Entladen) verantwortlich.
19. Wie kann ich den PCAM-Abbau in Kristallisatoren vermeiden?
Das Vorhandensein von Sauerstoff in Reaktoren während der PCAM-Synthese kann leicht zur Bildung unerwünschter NCM-Oxide führen. Daher ist es wichtig, eine inerte Atmosphäre im Kopfraum des Reaktors aufrechtzuerhalten. Die kontinuierliche In-situ-Sauerstoffmessung informiert sofort über das Eindringen von Luft oder eine unzureichende Stickstoffüberlagerung.
20. Wie kann ich während der PCAM-Kalzinierung sicher sein, dass die Sauerstoffkonzentration auf dem erforderlichen Niveau ist?
Die Messung von O2 in der Entlüftungsleitung eines PCAM-Kalzinators ist aufgrund hoher Temperaturen, Feuchtigkeit und Staub schwierig. Der In-situ-Sauerstoffanalysator GPro 500 (oder in einer extraktiven Konfiguration) toleriert solche Bedingungen und liefert genaue Messungen für eine schnelle Prozesskontrolle.