Efterspørgslen efter genopladelige litiumionbatterier vokser hastigt, og producenterne skal leve op til udfordrende krav til produktionskvaliteten og videreudviklingen af batterier.
METTLER TOLEDOs omfattende portefølje af analytiske karakteriseringsløsninger til laboratoriebrug og automatiserede præcisionsvægte til brug i produktionen fremmer udvikling af kvalitetssikring og kvalitetskontrolprocedurer i forbindelse med produktion af litiumionbatterier.
Vores innovative laboratorie- og industriløsninger understøtter de forskellige trin i værdikæden for litiumionbatterier fra test af råmaterialer og batterikomponenter til produktion og endelig kvalitetskontrol.
Det støt voksende marked for bærbare elektroniske apparater kombineret med det stigende tempo i elbilsrevolutionen har ført til en tilsvarende stor efterspørgsel efter genopladelige batterier. Litiumionbatterier er den mest avancerede løsning blandt de eksisterende varianter af teknologien. Denne batteritype muliggør høj energitæthed, idet den på samme tid er let og har høj kapacitet, taber kun en smule kapacitet for hver af- og opladningscyklus og har lav selvafladning.
Diagrammet illustrerer, hvordan et litiumionbatteri fungerer. Litiumionbatterier lagrer energi, der frigives ved en elektrokemisk reaktion mellem anode- og katodematerialerne. Både katoden og anoden indeholder positivt ladede litiumioner.
Under afladning frigiver oxidationsreaktionen ved anoden elektroner og litiumkationer. Elektronerne strømmer gennem en ekstern ledning til katoden. For at lukke kredsløbet flyder der litiumkationer gennem den flydende elektrolyt og separatoren til katoden, hvor de igen indgår en kemisk forbindelse i en reduktionsreaktion.
Under opladning finder de omvendte reaktioner sted ved elektroderne, og litiumionerne flyder i den modsatte retning. Litiumionerne deltager ikke i den overordnede elektrokemiske reaktion, men bevarer deres oxidationstrin.
De elektrolytopløsninger, der normalt anvendes i kommercielle litiumionbatterier, består af organiske opløsningsmidler (primært cykliske og lineære karbonater), litiumsalte og forskellige additiver. Elektrolytterne og de andre materialer, der indgår i litiumionbatterier, må ikke indeholde vand, da selv spormængder vil reagere med elektrolytten og danne aggressive biprodukter som flussyre, som kompromitterer batteriets ydeevne og sikkerhed. Eftersom vand påvirker batterierne så negativt, skal elektrolytten rutinemæssigt testes for vand.
Coulometrisk Karl Fischer-titrering er den foretrukne metode til at bestemme vandindholdet i elektrolytter præcist og nøjagtigt. Ikke kun vand, men også selve det skadelige nedbrydningsprodukt flussyre kan bestemmes i elektrolytten. Syre-base-titrering har vist sig at være en nøjagtig og pålidelig metode til at teste for indhold af flussyre i batteriets elektrolyt.
En væskes massefylde afhænger af dens molekylære sammensætning. En hurtig massefyldebestemmelse med en densitetsmåler fra METTLER TOLEDO kan hjælpe med at afsløre kontaminering med vand eller andre urenheder i elektrolytter.
Differentialscanningskalorimetri (DSC) benyttes i forbindelse med kvalitetskontrol til at undersøge sammensætningen og indholdet af karbonater i elektrolytopløsninger, som er vigtige for litiumionbatteriers cyklusstabilitet, energitæthed og sikkerhed. DSC giver også information om elektrolyttens smelte- og krystalliseringspunkter med henblik på at bestemme minimumstemperaturen for opladning/afladning.
Relaterede dokumenter
Elektroders ydeevne og sikkerhed bestemmes primært af den aldring og nedbrydning af det aktive katodemateriale, som op- og afladninger medfører.
Termiske analyseteknikker kan levere præcise målinger af varmekapacitet, nedbrydningstemperaturer og entalpi og er derfor grundlæggende hjælpemidler ved undersøgelse af termisk stabilitet med henblik på karakterisering af litiumionbatterier. For at skaffe mere information om nedbrydningskomponenter fra et enkelt eksperiment kan METTLER TOLEDOs TGA- eller TGA/DSC-teknikker kombineres til et egnet gasanalysesystem, der f.eks. kan udføre Fourier-transformeret infrarød spektroskopi, massespektroskopi, gaskromatografi-massespektroskopi eller mikro-gaskromatografi-massespektroskopi.
Ligesom med elektrolytten foretages der en test af katoder og anoder, som bl.a. omfatter en analyse af vandindhold, inden komponenterne anvendes i batterier. METTLER TOLEDOs InMotion KF Oven-autosampler opvarmer det faste stof til forhøjede temperaturer, udtrækker vandindholdet og leder det til en coulometrisk Karl Fischer-titrator, hvor det registreres.
Desuden kan titrering bruges til at bestemme metalindholdet (f.eks. kobolt, mangan, jern, nikkel) i katodematerialet og til at teste materialet for urenheder som klorider, hydroxider og karbonater.
Relaterede dokumenter
Anvendelsesnoter:
Separatorer i litiumionbatterier har afgørende indflydelse på batteriets ydeevne og levetid såvel som på dets pålidelighed og sikkerhed. Nedbrydning af separatormaterialet er eksempelvis ofte den tilgrundliggende årsag til interne kortslutninger, der ødelægger en celle. Derfor er pålidelige metoder til testning og analyse af separatorer meget vigtige.
Termisk analyse anvendes til at karakterisere de termiske egenskaber ved separatorer, som typisk er fremstillet af polyolefiner som PP eller PE. De teknologiske begrænsninger ved sådanne membraner omfatter penetrationsmodstand, krympning og nedsmeltning. Disse egenskaber kan undersøges ved hjælp af termogravimetri (TGA), differentialscanningskalorimetri (DSC) og termomekanisk analyse (TMA).
Relaterede dokumenter
Vejledninger:
Fra råmaterialer til kvalitetsprodukt skal et litiumionbatteri gennem op til 25 produktionstrin, som udgør grundlaget for den ønskede kvalitet og ydeevne. Vejning med bestemmelse af tørstofindhold er afgørende for at sikre ensartethed og sporbarhed hele vejen igennem produktionskæden.
Dyre råmaterialer udgør op til 60 % af de samlede produktionsomkostninger for cellerne. Vejning er den mest præcise metode til at leve op til høje procestolerancer for ensartethed i formuleringen og undgå dyrt spild.
Efter at elektroderne er stablet, benyttes vejning i forbindelse med påfyldning af elektrolytten. Selv om det er muligt at kontrollere strømmen af elektrolyt, kan præcisionsvejeenheders nøjagtighed sikre 100 % kvalitetskontrol.
Manglende eller skjulte dele, der ved et uheld kan falde ned i modulet, kunne udløse en brand og ødelægge det. Det kan forhindres ved at benytte en vægt med høj opløsning til fuldstændighedskontrol, som endda eliminerer detekteringsproblemer knyttet til blanke overflader.
Eftersom faststofindholdet i elektrodematerialet påvirker kvaliteten af belægningen og dermed elektrodens ydeevne, er streng kontrol med indholdet af hhv. faste stoffer og fugtighed altafgørende under produktionen af elektroderne. Det kan ske hurtigt og nemt med en halogentørstofmåler.
Relaterede dokumenter
Batteriers ydeevne afhænger i høj grad af renheden af det aktive katodemateriale og af partikelstørrelsen i udgangsstoffet hertil, som kaldes PCAM (Precursor for Cathode Active Material).
Under udskilning/krystallisering er det yderst vigtigt løbende at holde øje med pH i processen, da den har indflydelse på partikelmorfologien og -fordelingen i PCAM. Procesvariabilitet kan i dramatisk grad ændre morfologiprofilen og er derfor uønsket. Nøjagtig inline-pH-måling er en forudsætning for at opretholde ensartetheden i processen.
Udskilte PCAM-stoffer (metalhydroxider) kan skabe belægninger på processensorer og forårsage fejlmålinger.
METTLER TOLEDOs intelligente proces-pH-sensor InPro 4260i er skræddersyet til PCAM-produktionsprocesser med høje koncentrationer af opslæmmede faste stoffer. Kombineret med det automatiserede rensningssystem EasyClean 200 kan METTLER TOLEDO tilbyde den ultimative måleløsning til pålidelig pH-kontrol under PCAM-processer.
Reaktoren kræver et lavt iltniveau for at undgå oxidering af PCAM-stoffet. InPro 6850i er METTLER TOLEDOs kompakte in-situ-oxygensensor, som måler iltniveauer med høj nøjagtighed i reaktoren og muliggør hurtig kontrol af inerte gasser.
Relaterede dokumenter
Guide: Lithium-ion-batteriets livscyklus
Sørg for ydeevne og sikkerhed igennem batteriets værdikæde: Optimer processer, og udnyt høj præcision for at sikre batteriets ydeevne og sikkerhed.
Instrumenter
FAQ
Hvad er testning af litiumionbatterier, og hvordan fungerer det?
Vælg det spørgsmål, der interesserer dig:
- Hvilke fordele er der ved litiumionbatterier?
- Hvor lang levetid har litiumionbatterier?
- Hvad er den sikre driftstemperatur for litiumionbatterier?
- Hvilken virkning har vand i et litiumionbatteri?
- Hvilke batterikomponenter skal testes for vand?
- Skal elektrolytten testes for både vand og flussyre, før den fyldes på batteriet?
- Hvad er den foretrukne metode til at teste elektrolytten for vand med?
- Hvilken metode anbefales til at teste faststofkatoder, -anoder og -separatorer for vand?
- Bør man kontrollere elektrolyttens massefylde?
- Hvordan kan termisk analyse bidrage til at undersøge sikkerheden ved litiumionbatterier?
- Hvordan kan syntese af anodematerialet grafen undersøges ved samtidig termisk analyse?
- Hvorfor er separatornedlukning vigtig, og hvordan kan det undersøges?
- Kan aggressive materialer beskadige den måleenhed, der bruges til formulering af et parti elektrodemateriale?
- Hvordan kalibrerer jeg en industrivægt i mit maskineri og produktionssystem?
- Hvilke fordele er der ved vægtbaseret påfyldning af elektrolyt?
- Hvor nøjagtigt kan man måle på elektrolytpåfyldningsprocessen?
- Kan jeg registrere skjulte dele i batterimoduler med en industriel vægt?
- Hvorfor er nøjagtig kontrol med processens pH vigtig under produktion af PCAM?
- Hvordan kan jeg undgå PCAM-nedbrydning i krystallisatorer?
- Hvordan kan jeg være sikker på, at iltkoncentrationen er på det krævede niveau under PCAM-kalcinering?
1. Hvilke fordele er der ved litiumionbatterier?
Litiumionbatterier kan oplades hundredvis af gange og er mere stabile. De har tendens til at have en højere energitæthed og spændingskapacitet og lavere selvafladningshastighed end andre genopladelige batterier.
2. Hvor lang levetid har litiumionbatterier?
Et litiumionbatteri har typisk en levetid på 300 til 500 opladningscyklusser, dog højst 2 til 3 år.
3. Hvad er den sikre driftstemperatur for litiumionbatterier?
Litiumionbatterier præsterer optimalt, når de oplades ved mellem 0 °C og 45 °C. Den optimale afladningstemperatur er mellem -20 °C og 60 °C.
4. Hvilken virkning har vand i et litiumionbatteri?
Vand inde i et litiumionbatteri reagerer med elektrolytten, så der opstår skadelige stoffer som flussyre. Disse kemikalier nedbryder elektroderne, forstyrrer den generelle funktion og reducerer i sidste ende kapaciteten. Desuden kan vand udløse en løbsk termisk reaktion, der fører til, at batteriet eksploderer.
5. Hvilke batterikomponenter skal testes for vand?
Alle batterikomponenter skal testes for vand, før de anvendes i et batteri. Alle komponenter, der er i kontakt med hinanden via den flydende elektrolyt.
6. Skal elektrolytten testes for både vand og flussyre, før den fyldes på batteriet?
Flussyre er kendt for at påvirke batteriets ydeevne negativt. Det dannes ved en reaktion mellem elektrolytten og vand. Denne reaktion kan finde sted inde i et batteri, men også under produktionen af elektrolytten. Det er derfor vigtigt, at elektrolytten ikke kun testes for vand, men også for flussyre, før den fyldes på batterierne.
7. Hvad er den foretrukne metode til at teste elektrolytten for vand med?
Coulometrisk Karl Fischer-titrering er den foretrukne metode til at bestemme tilstedeværelsen af små mængder vand i prøver som elektrolytter. Analysen er hurtig, pålidelig og kræver ingen prøveforberedelse. Elektrolytprøven sprøjtes blot ind i titreringsbeholderen, hvorefter resultatet er klar inden for 1-2 minutter.
8. Hvilken metode anbefales til at teste faststofkatoder, -anoder og -separatorer for vand?
Prøver af fast stof kan ikke direkte sprøjtes ind i en Karl Fischer-titreringsbeholder. Der skal derfor bruges en gasfaseekstraktionsovn til først at udtrække vandet med. InMotion KF-ovnen opvarmer automatisk prøven af fast stof til forhøjede temperaturer, og en strøm af tør nitrogen transporterer det fordampede vand til den coulometriske titreringscelle, hvor det registreres. Analysen er fuldautomatisk. Elektroden anbringes i hætteglas, og proceduren startes med OneClick™.
9. Bør man kontrollere elektrolyttens massefylde?
En væskes massefylde afhænger af dens sammensætning. Vand og andre urenheder ændrer elektrolyttens massefylde. En hurtig kontrol af elektrolytten kan afsløre kontaminanter og dårlig kvalitet.
10. Hvordan kan termisk analyse anvendes til sikkerhedstestning af litiumionbatterier?
Termogravimetrisk analyse (TGA) og differentialscanningskalorimetri (DSC) er værdifulde værktøjer til bestemmelse af forskellige batterikomponenters termiske stabilitet og nedbrydningsprofil. Løbske termiske reaktioner i batteriet kan også undersøges under såvel normale som ekstreme situationer..
11. Hvordan kan syntese af anodematerialet grafen undersøges ved samtidig termisk analyse?
En enkel måde at skaffe grafen på, som ikke medfører store udgifter, er at reducere grafenoxid, som nemt fås fra grafit. Den trinvise reduktion af grafenoxid kan nemt følges ved hjælp af TGA/DSC.
12. Hvorfor er separatornedlukning vigtig, og hvordan kan det undersøges?
Af hensyn til sikkerheden er det vigtigt, at separatoren lukker ned (dvs. at porerne lukkes), inden der forekommer smeltning. Det kan bekræftes ved termomekanisk analyse (TMA), som karakteriserer separatormembranens krympning og smelteadfærd.
13. Kan aggressive materialer beskadige den måleenhed, der bruges til formulering af et parti elektrodemateriale?
Vejemoduler og vejeceller installeres typisk på en tanks eller blandingsmaskines yderside, så måleenheden ikke er i direkte kontakt med varme, kolde, aggressive eller eksplosive materialer. Desuden er disse sensorer nøjagtige uanset form, overflade, dielektricitet, Reynolds tal, viskositet og andre karakteristika ved materialet.
14. Hvordan kalibrerer jeg en industrivægt i mit maskineri og produktionssystem?
De vejeceller og vejemoduler, der integreres i maskineriet og produktionssystemerne, er vigtige komponenter, som skal præstere sikkert og nøjagtigt. METTLER TOLEDO tilbyder skræddersyede kalibreringstjenester til tankvægte med enhver kapacitet for at sikre ensartede resultater og pålidelig drift. Disse tjenester omfatter kalibrering med testlodder, kalibrering med testlodder og materialesubstitution, hydraulisk RapidCal™-kalibrering og CalFreePlus-kalibrering uden lodder med POWERCELL®.
15. Hvilke fordele er der ved vægtbaseret påfyldning af elektrolyt?
Påfyldning af elektrolyt direkte på vejeenheden gør det muligt at etablere et lukket kredsløb mellem sensoren og påfyldningsenheden. Det betyder, at du konstant kan justere påfyldningsenheden under fuld produktion, hvilket eliminerer usikkerhedsfaktorer og giver garanti for ensartet kvalitet af battericellerne.
16. Hvor nøjagtigt kan man måle på elektrolytpåfyldningsprocessen?
Når det handler om at vælge vejeteknologi til påfyldning af elektrolyt, skal vigtige parametre som læsbarhed, repeterbarhed og følsomhed være dine topprioriteter. Det vigtigste er at undlade at bruge opløsning som det eneste udvælgelseskriterium, da denne faktor ikke i sig selv garanterer stabile resultater eller høj kvalitet.
17. Kan jeg registrere skjulte dele i batterimoduler med en industriel vægt?
Det er muligt at udføre såkaldt tara- og bruttovægtkontrol efter samling af batterimodulet. Med denne procedure kan du kontrollere, om alle komponenter er til stede, og at der ikke er faldet noget ned i modulet under samlingen. Desuden påvirkes vejning ikke af blanke aluminiumsoverflader.
18. Hvorfor er nøjagtig kontrol med processens pH vigtig under produktion af PCAM?
Processens pH påvirker direkte partikelstørrelsen og -morfologien og er dermed ansvarlig for batteriets ydeevne under op- og afladning.
19. Hvordan kan jeg undgå PCAM-nedbrydning i krystallisatorer?
Tilstedeværelsen af ilt i reaktorer under PCAM-syntese kan let føre til dannelse af uønskede NCM-oxider; Derfor er det vigtigt at opretholde en inert atmosfære i reaktorens headspace. Kontinuerlig iltmåling in situ giver øjeblikkelig meddelelse om luftindtrængning eller utilstrækkelig nitrogendækning.
20. Hvordan kan jeg være sikker på, at iltkoncentrationen er på det krævede niveau under PCAM-kalcinering?
Måling af O2 i en PCAM-calciners udluftningsledning er vanskelig på grund af høje temperaturer, fugt og støv. GPro 500 in situ (eller i en ekstraktionskonfiguration) iltanalysator tolererer sådanne forhold og giver nøjagtige målinger for at muliggøre hurtig processtyring.