Poptávka po dobíjecích lithium-iontových bateriích rychle roste, a proto musí výrobci splňovat náročné požadavky na kvalitu výroby a další vývoj baterií.
Rozsáhlé portfolio analytických charakterizačních řešení METTLER TOLEDO pro laboratoře a automatizované přesné váhy pro výrobu podporují postupy zajištění kvality (QA) vývoje a kontroly kvality (QC) výroby lithium-iontových baterií.
Naše inovativní laboratorní a průmyslová řešení podporují různé kroky v hodnotovém řetězci lithium-iontových baterií - od testování surovin a komponent baterií až po výrobu a konečnou kontrolu kvality.
Stále rostoucí trh s přenosnými elektronickými zařízeními spolu s rostoucím tempem revoluce elektromobilů vedl ke stejně velké poptávce po dobíjecích bateriích. Lithium-iontové baterie (LIB) jsou v této technologii nejmodernější. Tento typ baterií vykazuje vysokou energetickou hustotu, protože jsou lehké a přitom výkonné, dobrou cyklickou životnost, protože je lze nabíjet a dobíjet bez ztráty velké energie v každém cyklu, a nízkou míru samovybíjení.
Schéma lithium-iontové baterie znázorňuje princip fungování lithium-iontové baterie. LIB uchovávají energii, která se uvolňuje elektrochemickou reakcí mezi materiálem anody a katody. Katoda i anoda obsahují kladně nabité ionty lithia.
Při vybíjení se oxidační reakcí na anodě uvolňují elektrony a kationty lithia. Elektrony proudí přes vnější vodič ke katodě. Pro uzavření elektrického obvodu proudí kationty lithia přes kapalný elektrolyt a separátor ke katodě, kde se rekombinují v redukční reakci.
Při nabíjení se reakce na elektrodách obrátí a ionty lithia proudí opačným směrem. Ionty lithia se neúčastní celkové elektrochemické reakce a zůstávají v oxidačním stavu.
Elektrolytické roztoky běžně používané v komerčních lithium-iontových bateriích se skládají z organických rozpouštědel (většinou cyklických a lineárních uhličitanů), solí lithia a různých přísad. Elektrolyty a další materiály pro lithium-iontové baterie nesmí obsahovat vodu, protože i její stopové množství reaguje s elektrolytem za vzniku agresivních vedlejších produktů včetně kyseliny fluorovodíkové, které ohrožují výkon a bezpečnost baterie. Protože voda má tak neblahý vliv, je třeba obsah vody v elektrolytu běžně testovat.
Koulometrická Karl Fischerova titrace je metodou volby pro přesné a precizní stanovení obsahu vody v elektrolytu. V elektrolytu lze stanovit nejen vodu, ale i samotný škodlivý produkt rozkladu, kyselinu fluorovodíkovou (HF). Acidobazická titrace se osvědčila jako přesná a spolehlivá metoda testování obsahu VF v elektrolytu baterie.
Hustota kapaliny závisí na jejím molekulárním složení. Rychlá kontrola hustoty pomocí titračního roztoku METTLER TOLEDO . Hustotoměr může pomoci odhalit znečištění elektrolytu vodou nebo jinými nečistotami.
Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) se používá při kontrole kvality ke studiu složení a obsahu uhličitanů v elektrolytických roztocích, které mají důležitý vliv na cyklickou stabilitu, energetickou hustotu a bezpečnost lithium-iontových baterií. DSC také poskytuje informace o tání a krystalizaci elektrolytu pro stanovení minimálních teplot pro nabíjecí/vybíjecí procesy.
Související dokumenty
Výkonnost a bezpečnost elektrod je do značné míry ovlivněna stárnutím a degradací aktivního materiálu katody způsobenou nabíjením/vybíjením.
Techniky termické analýzy, které poskytují přesná měření tepelné kapacity, teploty rozkladu a stanovení entalpie, jsou základními pomůckami při studiu tepelné stability pro charakterizaci lithium-iontových baterií. Pro získání více informací o složkách degradace z jediného experimentu lze použít přístroj METTLER TOLEDO . TGA nebo TGA/DSC lze propojit s vhodným systémem pro analýzu plynů a provádět například infračervenou spektroskopii s Fourierovou transformací, hmotnostní spektroskopii, plynovou chromatografii s hmotnostní spektroskopií nebo mikroplynovou chromatografii s hmotnostní spektroskopií.
Podobně jako u elektrolytu zahrnuje testování katody a anody analýzu obsahu vody před použitím komponent v baterii. Společnost METTLER TOLEDO InMotion KF Oven Autosampler zahřívá pevný materiál na zvýšenou teplotu, odebírá z něj vodu a vede ji do autosampleru. Koulometrický Karl Fischerův titrátor, kde je detekován.
Dále lze titraci použít ke stanovení obsahu kovů (např. kobaltu, managenu, železa, niklu) v katodovém materiálu a také k testování materiálu na nečistoty, jako jsou chloridy, hydroxidy a uhličitany.
Související dokumenty
Poznámky k aplikaci:
Separátory pro li-ion baterie mají zásadní vliv na výkon, životnost, spolehlivost a bezpečnost baterií. Například degradace materiálu separátoru je často hlavní příčinou vnitřního zkratu vedoucího k selhání článku. Spolehlivé metody testování a analýzy separátorů jsou proto velmi důležité.
Termická analýza se používá k charakterizaci tepelných vlastností separátorů, které jsou obvykle vyrobeny z polyolefinů, jako je PP nebo PE. Mezi technologická omezení těchto membrán patří odolnost proti průniku, smršťování a tavení. Tyto vlastnosti lze zkoumat pomocí termogravimetrie (TGA), diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) a termomechanické analýzy (TMA).
Související dokumenty
Od výchozích materiálů až po vysoce kvalitní výrobek musí lithium-iontová baterie projít až 25 výrobními kroky, které jsou základem požadované kvality a výkonu. Vážení včetně stanovení obsahu vlhkosti je klíčem k zajištění konzistence a sledovatelnosti v celém výrobním řetězci.
Drahé suroviny představují až 60 % celkových nákladů na výrobu článků. Vážení je nejpřesnější metodou pro splnění vysokých procesních tolerancí pro zajištění konzistence v provozu.
Po naskládání elektrod je vážení řešením pro plnění elektrolytem. I když je možné kontrolovat průtok elektrolytu, přesnost vysoce přesných vážicích zařízení může zajistit 100% kontrolu kvality.
Chybějící nebo skryté díly, které mohou do modulu omylem spadnout, by mohly způsobit požár a zničit jej. Tomu lze předejít použitím váha s vysokým rozlišením pro kontrolu úplnosti, která dokonce eliminuje problémy s detekcí spojené s lesklými povrchy.
Vzhledem k tomu, že obsah pevných látek v elektrodových suspenzích ovlivňuje kvalitu povlaku, a tím i výkon elektrod, je přísná kontrola obsahu pevných látek, resp. vlhkosti při výrobě elektrod kritická. To lze snadno a rychle provést pomocí halogenový analyzátor vlhkosti
Související dokumenty
Poznámky k aplikaci:
Měření vlhkosti v lithium-iontových bateriích
Stanovení vody v NMP podle hustoty
Aplikace laboratorního vážení v průmyslu lithium-iontových baterií
Případové studie:
Elektronické knihy:
Výroba lithium-iontových baterií – automatizované průmyslové vážicí kufříky
Výkon baterie do značné míry závisí na čistotě katodového aktivního materiálu (CAM) a velikosti částic prekurzoru PCAM.
Během srážení/krystalizace je velmi důležitá průběžná kontrola pH procesu, která ovlivňuje morfologii a distribuci částic PCAM. Proměnlivost procesu může dramaticky změnit morfologický profil, a je proto nežádoucí. Přesné inline měření pH je nezbytným předpokladem pro udržení konzistence procesu.
Srážející se PCAM (metalohydroxidy) mohou na procesních senzorech vytvářet vodní kámen a způsobovat drift měření.
Inteligentní procesní pH senzor InPro 4260i společnosti METTLER TOLEDO je přizpůsoben pro výrobní procesy PCAM s vysokou koncentrací suspendovaných pevných látek. V kombinaci s EasyClean 200 automatizovaným čisticím systémem nabízí METTLER TOLEDO dokonalé měřicí řešení pro spolehlivou kontrolu pH v procesech PCAM.
Reaktor vyžaduje nízkou hladinu kyslíku, aby se zabránilo oxidaci PCAM. InPro 6850i je in-situ senzor kyslíku METTLER TOLEDO s malými rozměry, který přesně měří hladinu kyslíku v prostoru nad reaktorem a umožňuje rychlou kontrolu inertního plynu.
Související dokumenty
Průvodce: Životní cyklus lithium-iontových baterií
Zajistěte výkon a bezpečnost v celém hodnotovém řetězci baterií: Optimalizujte procesy a využijte vysokou přesnost k zajištění výkonu a bezpečnosti baterie.
Nástroje
ČASTO KLADENÉ DOTAZY
Co je testování lithium-iontových baterií a jak funguje?
Vyberte si otázku, která vás zajímá:
- Jaká je výhoda lithium-iontových baterií?
- Jaká je životnost lithium-iontové baterie?
- Jaká je bezpečná provozní teplota lithium-iontové baterie?
- Jaký je vliv vody uvnitř lithium-iontové baterie?
- Které součásti baterie je třeba testovat na přítomnost vody?
- Měl by se elektrolyt před naplněním do baterie testovat na přítomnost vody i kyseliny fluorovodíkové?
- Jakou metodu zvolit pro testování elektrolytu na přítomnost vody?
- Kterou metodou se doporučuje testovat pevnou katodu, anodu a separátor na přítomnost vody?
- Měla by se kontrolovat hustota elektrolytu?
- Jak může tepelná analýza přispět k vyšetřování bezpečnosti lithium-iontových baterií?
- Jak lze syntézu grafenového materiálu anody zkoumat pomocí simultánní termické analýzy?
- Proč je důležité vypnutí separátoru a jak jej lze zkoumat?
- Může agresivní materiál poškodit měřicí zařízení používané k formulaci dávky kalu?
- Jak kalibrovat průmyslovou váhu ve strojním a výrobním zařízení?
- Jaký je přínos plnění elektrolytu na základě hmotnosti?
- Jak přesně lze měřit proces plnění elektrolytem?/a>
- Můžu pomocí průmyslové váhy odhalit skryté části v bateriových modulech?
- Proč je při výrobě PCAM důležitá přesná kontrola pH procesu?
- Jak mohu zabránit degradaci PCAM v krystalizátorech?
- Jak si mohu být během kalcinace PCAM jistý, že koncentrace kyslíku je na požadované úrovni?
1. Jaká je výhoda lithium-iontových baterií?
Lithium-iontové baterie lze dobíjet stokrát a jsou stabilnější. Mají zpravidla vyšší energetickou hustotu, napěťovou kapacitu a nižší míru samovybíjení než jiné dobíjecí baterie.
2. Jaká je životnost lithium-iontové baterie?
Obvyklá životnost lithium-iontové baterie je přibližně dva až tři roky nebo 300 až 500 nabíjecích cyklů, podle toho, co nastane dříve.
3. Jaká je bezpečná provozní teplota lithium-iontové baterie?
Lithium-iontové baterie fungují optimálně při nabíjení v rozmezí 0 °C až 45 °C. Optimální teplota vybíjení je v rozmezí -20 °C až 60 °C.
4. Jaký je vliv vody uvnitř lithium-iontové baterie?
Voda uvnitř lithium-iontové baterie reaguje s elektrolytem za vzniku škodlivých produktů, jako je kyselina fluorovodíková (HF). Tyto chemické látky vedou k degradaci elektrod, narušují celkovou funkci a v konečném důsledku snižují kapacitu. Kromě toho může voda vést k tepelnému vyčerpání, což může vést k výbuchu baterie.
5. Které součásti baterie je třeba testovat na přítomnost vody?
Všechny součásti baterie je třeba testovat na přítomnost vody před jejich zabudováním do baterie. Všechny součásti, které jsou ve vzájemném kontaktu prostřednictvím kapalného elektrolytu.
6. Měl by se elektrolyt před naplněním do baterie testovat na přítomnost vody i kyseliny fluorovodíkové?
Kyselina fluorovodíková (HF) je známá tím, že má špatný vliv na výkon baterie. Vzniká reakcí elektrolytu s vodou. K této reakci může docházet uvnitř baterie, ale také při výrobě elektrolytu. Proto je důležité, aby byl elektrolyt před naplněním do pouzdra baterie testován nejen na přítomnost vody, ale také na přítomnost samotného HF.
7. Jakou metodou se testuje elektrolyt na přítomnost vody?
Koulometrická Karl Fischerova (KF) titrace je metodou volby pro stanovení nízkého obsahu vody ve vzorcích, jako jsou elektrolyty. Analýza je rychlá, spolehlivá a není vůbec nutná příprava vzorku. Vzorek elektrolytu se vstříkne do titrační nádoby a výsledek se získá po 1 až 2 minutách.
8. Kterou metodou se doporučuje testovat pevnou katodu, anodu a separátor na vodu?
Tvrdé vzorky nelze přímo vstřikovat do Karl Fischerovy titrační nádoby. Je tedy zapotřebí nejprve extrakční pec na plynnou fázi, aby se extrahovala voda. Pece InMotion KF automaticky zahřívá pevný vzorek na zvýšenou teplotu a proud suchého dusíku přenáší odpařenou vodu do coulometrické titrační cely, kde je detekována. Analýza je plně automatizovaná. Elektroda se naplní do zkumavek a metoda se spustí pomocí funkce OneClick™.
9. Měla by se kontrolovat hustota elektrolytu?
Hustota kapaliny závisí na jejím složení. Voda a další nečistoty mění hustotu elektrolytu. Rychlá kontrola hustoty elektrolytu může odhalit nečistoty a špatnou kvalitu.
10. Jak může termická analýza přispět k testování bezpečnosti lithium-iontových baterií?
Termogravimetrická analýza (TGA) a diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) jsou cenné nástroje pro stanovení tepelné stability a profilu rozkladu různých složek baterie. Tepelné vyčerpání baterie lze rovněž zkoumat v běžných i extrémních situacích.
11. Jak lze zkoumat syntézu grafenového anodového materiálu pomocí simultánní termické analýzy?
Jednoduchou a levnou cestou k získání grafenu je redukce oxidu grafenu, který lze snadno získat z grafitu. Postupnou redukci oxidu grafenu lze snadno sledovat pomocí TGA/DSC.
12. Proč je vypnutí separátoru důležité a jak ho lze vyšetřit?
Z bezpečnostních důvodů je důležité, aby se separátor vypnul (tj. uzavřel póry) před začátkem tavení. To lze potvrdit termomechanickou analýzou (TMA), která charakterizuje smršťování a chování membrány separátoru při tavení
13. Mohl by agresivní materiál poškodit měřicí zařízení používané k formulaci dávky suspenze?
Váhové moduly a snímače zatížení se obvykle instalují na vnější straně nádrže nebo míchačky, aby měřicí zařízení nepřišlo do přímého kontaktu s horkými, studenými, agresivními nebo výbušnými materiály. Kromě toho jsou tyto snímače přesné bez ohledu na tvar, povrch, Di-Electricity, Reynoldsovo číslo, viskozitu nebo jiné vlastnosti materiálu.
14. Jak kalibrovat průmyslové váhy ve strojním a výrobním zařízení?
Zátěžové snímače a váhové moduly, které jsou integrovány ve strojních a výrobních systémech, jsou klíčové komponenty, které musí fungovat bezpečně a přesně. METTLER TOLEDO nabízí kalibrační služby na míru pro každou kapacitu, které pomáhají zajistit konzistentní výsledky a spolehlivý provoz. Mezi tyto služby patří, kalibrace zkušebních vah, kalibrace zkušebních vah a substituce materiálu, hydraulická kalibrace RapidCal™ , a beztížná kalibrace CalFreePlus s POWERCELL®.
15. Jaká je výhoda plnění elektrolytem na základě hmotnosti?
Plnění elektrolytu přímo na vážicím zařízení umožňuje uzavřenou smyčku mezi snímačem a plnicím zařízením. To znamená, že jste schopni neustále nastavovat plnicí zařízení během celé výroby, což eliminuje faktory nejistoty a zaručuje konzistentní kvalitu bateriových článků.
16. Jak přesně můžete měřit proces plnění elektrolytu?
Při výběru váhové technologie pro plnění elektrolytem musíte brát v úvahu především důležité parametry, jako je čitelnost, opakovatelnost a citlivost. Především se vyhněte použití rozlišení jako jediného kritéria výběru, protože to samo o sobě nezaručí stabilní výsledky ani vysokou kvalitu.
17. Mohu pomocí průmyslové váhy odhalit skryté části v bateriových modulech?
Na konci montáže bateriového modulu je možné provést tzv. tárování a křížovou kontrolu hmotnosti. Tímto postupem jste schopni zkontrolovat, zda jsou všechny výrobky na palubě a zda do modulu během montáže nic nespadlo. Vážení navíc není ovlivněno lesklými hliníkovými povrchy.
18. Proč je při výrobě PCAM důležitá přesná kontrola pH procesu?
Procesní pH přímo ovlivňuje velikost a morfologii částic a jako takové je zodpovědné za výkonnost baterie; nabíjení/vybíjení.
19. Jak mohu zabránit degradaci PCAM v krystalizátorech?
Přítomnost kyslíku v reaktorech během syntézy PCAM může snadno vést k tvorbě nežádoucích oxidů NCM; Proto je důležité udržovat inertní atmosféru v horním prostoru reaktoru. Kontinuální měření kyslíku in situ poskytuje okamžité upozornění na vniknutí vzduchu nebo nedostatečné přikrývky dusíku.
20. Jak si mohu být během kalcinace PCAM jistý, že koncentrace kyslíku je na požadované úrovni?
Měření O2 ve větracím potrubí kalcinátoru PCAM je složité kvůli vysokým teplotám, vlhkosti a prachu. Analyzátor kyslíku GPro 500 in situ (nebo v extrakční konfiguraci) takové podmínky toleruje a poskytuje přesná měření, která umožňují rychlé řízení procesu.