Dopyt po dobíjateľných lítium-iónových batériách rýchlo rastie, v dôsledku čoho musia výrobcovia spĺňať náročné požiadavky na kvalitu výroby a ďalší vývoj batérií.
Rozsiahle portfólio analytických charakterizačných riešení METTLER TOLEDO pre laboratórium a automatizované presné váhy pre výrobu podporujú postupy zabezpečenia kvality (QA) vývoja a kontroly kvality (QC) výroby lítium-iónových batérií.
Naše inovatívne laboratórne a priemyselné riešenia podporujú rôzne kroky v hodnotovom reťazci lítium-iónových batérií - od testovania surovín a komponentov batérií až po výrobu a konečnú kontrolu kvality.
Stále rastúci trh s prenosnými elektronickými zariadeniami spolu so zvyšujúcim sa tempom revolúcie v oblasti elektrických vozidiel má za následok rovnako veľký dopyt po dobíjateľných batériách. Lítium-iónové batérie (LIB) sú najmodernejšou technológiou v tejto oblasti. Tento typ batérií sa vyznačuje vysokou hustotou energie, keďže sú ľahké a zároveň výkonné, dobrou cyklickou výdržou, keďže sa dajú nabíjať a dobíjať bez toho, aby každý cyklus stratili veľa energie, a nízkou mierou samovybíjania.
Schéma lítium-iónovej batérie znázorňuje princíp fungovania lítium-iónovej batérie. LIB uchovávajú energiu, ktorá sa uvoľňuje elektrochemickou reakciou medzi materiálom anódy a katódy. Katóda aj anóda obsahujú kladne nabité ióny lítia.
Počas vybíjania sa pri oxidačnej reakcii na anóde uvoľňujú elektróny a katióny lítia. Elektróny prúdia cez vonkajší vodič ku katóde. Na uzavretie elektrického obvodu prúdia katióny lítia cez kvapalný elektrolyt a separátor ku katóde, kde sa rekombinujú v redukčnej reakcii.
Počas nabíjania sú reakcie na elektródach opačné a ióny lítia prúdia opačným smerom. Ióny lítia sa nezúčastňujú na celkovej elektrochemickej reakcii a zostávajú vo svojom oxidačnom stave.
Elektrolytické roztoky bežne používané v komerčných lítium-iónových batériách pozostávajú z organických rozpúšťadiel (väčšinou cyklických a lineárnych uhličitanov), solí lítia a rôznych prísad. Elektrolyty a iné materiály lítium-iónových batérií nesmú obsahovať vodu, pretože aj jej stopové množstvá reagujú s elektrolytom za vzniku agresívnych vedľajších produktov vrátane kyseliny fluorovodíkovej, ktoré ohrozujú výkonnosť a bezpečnosť batérie. Keďže voda má taký zlý vplyv, obsah vody v elektrolyte sa musí bežne testovať
Coulometrická Karl Fischerova titrácia je metóda voľby na presné a presné stanovenie obsahu vody v elektrolyte. V elektrolyte možno stanoviť nielen vodu, ale aj samotný škodlivý produkt rozkladu, kyselinu fluorovodíkovú (HF). Acidobázická titrácia sa osvedčila ako presná a spoľahlivá metóda na testovanie obsahu VF v elektrolyte batérie.
Hustota kvapaliny závisí od jej molekulárneho zloženia. Rýchla kontrola hustoty pomocou odmerky METTLER TOLEDO Hustotomer môže pomôcť odhaliť znečistenie elektrolytu vodou alebo inými nečistotami.
Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC) sa používa pri kontrole kvality na štúdium zloženia a obsahu uhličitanov v elektrolytických roztokoch, ktoré majú dôležitý vplyv na cyklickú stabilitu, energetickú hustotu a bezpečnosť lítium-iónových batérií. DSC tiež poskytuje informácie o topení a kryštalizácii elektrolytu na určenie minimálnych teplôt pre procesy nabíjania/vybíjania.
Súvisiace dokumenty
Výkon a bezpečnosť elektród do značnej miery ovplyvňuje starnutie a degradácia aktívneho materiálu katódy spôsobené nabíjaním/vybíjaním.
Techniky termickej analýzy, ktoré poskytujú presné merania tepelnej kapacity, teploty rozkladu a stanovenia entalpie, sú základnými pomôckami pri štúdiách tepelnej stability na charakterizáciu lítium-iónových batérií. Na získanie väčšieho množstva informácií o zložkách degradácie z jedného experimentu sa používa prístroj METTLER TOLEDO .TGA alebo TGA/DSC možno prepojiť s vhodným systémom na analýzu plynov, aby bolo možné vykonávať napríklad infračervenú spektroskopiu s Fourierovou transformáciou, hmotnostnú spektroskopiu, plynovú chromatografiu s hmotnostnou spektroskopiou alebo mikroplynovú chromatografiu s hmotnostnou spektroskopiou.
Podobne ako pri elektrolyte, testovanie katódy a anódy zahŕňa analýzu obsahu vody pred použitím komponentov v batérii. Spoločnosť InMotion KF Oven Autosampler zahrieva pevný materiál na zvýšenú teplotu, odoberá z neho vodu a vedie ju do Coulometrický Karl Fischer Ttitrátor, kde sa deteguje.
Okrem toho sa titrácia môže použiť na stanovenie obsahu kovov (napr. kobaltu, managénu, železa, niklu) v katódovom materiáli, ako aj na testovanie materiálu na nečistoty, ako sú chloridy, hydroxidy a uhličitany.
Súvisiace dokumenty
Poznámky k aplikácii:
Separátory pre lítium-iónové batérie majú zásadný vplyv na výkon, životnosť, ako aj spoľahlivosť a bezpečnosť batérie. Napríklad degradácia materiálu separátora je často hlavnou príčinou vnútorného skratu, ktorý vedie k zlyhaniu článku. Preto sú spoľahlivé metódy testovania a analýzy separátorov veľmi dôležité.
Termická analýza sa používa na charakterizáciu tepelných vlastností separátorov, ktoré sú zvyčajne vyrobené z polyolefínov, ako je PP alebo PE. Medzi technologické obmedzenia takýchto membrán patrí odolnosť voči penetrácii, zmršťovaniu a taveniu. Tieto vlastnosti sa dajú skúmať pomocou Termogravimetria (TGA), Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC) a Termomechanická analýza (TMA).
Súvisiace dokumenty
Lítium-iónová batéria musí prejsť až 25 výrobnými krokmi, ktoré sú základom požadovanej kvality a výkonu, od východiskových materiálov až po vysokokvalitný výrobok. Váženie vrátane stanovenia obsahu vlhkosti je kľúčom k zabezpečeniu konzistentnosti a sledovateľnosti v celom výrobnom reťazci.
Drahé suroviny predstavujú až 60 % celkových nákladov na výrobu článkov. Váženie je najpresnejšou metódou na splnenie vysokých procesných tolerancií pre konzistenciu formulovanie a predchádzanie nákladnému odpadu.
Po uložení elektród je váženie riešením na plnenie elektrolytu. Aj keď je možné kontrolovať prietok elektrolytu, presnosť vysoko presných vážiacich zariadení môže zabezpečiť 100 % kontrolu kvality.
Chýbajúce alebo skryté diely, ktoré sa môžu do modulu dostať náhodou, by mohli spôsobiť požiar a zničiť ho. Tomu sa dá predísť použitím váha s vysokým rozlíšením na kontrolu úplnosti, ktorá dokonca eliminuje problémy s detekciou spojené s lesklými povrchmi.
Keďže obsah pevných látok v elektródových suspenziách ovplyvňuje kvalitu povlaku, a teda aj výkonnosť elektród, prísna kontrola obsahu pevných látok, resp. vlhkosti počas výroby elektród je veľmi dôležitá. To sa dá rýchlo a jednoducho vykonať pomocou halogénovým analyzátorom vlhkosti.
Súvisiace dokumenty
Poznámky k aplikácii:
Meranie vlhkosti v lítium-iónových batériách
Stanovenie vody v NMP podľa hustoty
Aplikácie laboratórneho váženia v priemysle lítiovo-iónových batérií
Prípadové štúdie:
Elektronické knihy:
Výroba lítium-iónových batérií – automatizované priemyselné vážiace puzdrá
Výkon batérie do veľkej miery závisí od čistoty katódového aktívneho materiálu (CAM) a veľkosti častíc prekurzora PCAM.
Počas zrážania/kryštalizácie je veľmi dôležitá priebežná kontrola pH procesu, ktorá ovplyvňuje morfológiu a distribúciu častíc PCAM. Variabilita procesu môže dramaticky zmeniť morfologický profil, a preto je nežiaduca. Presné inline meranie pH je nevyhnutným predpokladom na udržanie konzistentnosti procesu.
Zrážanie PCAM (metalhydroxidy) môže spôsobiť usadzovanie vodného kameňa na procesných senzoroch a spôsobuje drift merania.
Inteligentný procesný senzor pH InPro 4260i od spoločnosti METTLER TOLEDO je prispôsobený pre výrobné procesy PCAM s vysokou koncentráciou suspendovaných pevných látok. V kombinácii s EasyClean 200 automatizovaným čistiacim systémom ponúka spoločnosť METTLER TOLEDO dokonalé meracie riešenie na spoľahlivú kontrolu pH procesov PCAM.
Reaktor vyžaduje nízku hladinu kyslíka, aby sa zabránilo oxidácii PCAM. InPro 6850i je in-situ senzor kyslíka METTLER TOLEDO s malými rozmermi, ktorý presne meria hladinu kyslíka v priestore hlavy reaktora a umožňuje rýchlu kontrolu inertného plynu.
Súvisiace dokumenty
Sprievodca: Životný cyklus lítium-iónovej batérie
Zabezpečte výkon a bezpečnosť v celom hodnotovom reťazci batérií: Optimalizujte procesy a využite vysokú presnosť na zaistenie výkonu a bezpečnosti batérie.
Nástroje
ČASTO KLADENÉ OTÁZKY
Čo je testovanie lítium-iónových batérií a ako funguje?
Vyberte si otázku, ktorá vás zaujíma:
- Aká je výhoda lítium-iónových batérií?
- Aká je životnosť lítium-iónovej batérie?
- Aká je bezpečná prevádzková teplota lítium-iónovej batérie?
- Aký je vplyv vody vo vnútri lítium-iónovej batérie?
- Ktoré komponenty batérie je potrebné testovať na prítomnosť vody?
- Mal by sa elektrolyt pred naplnením do batérie testovať na prítomnosť vody aj kyseliny fluorovodíkovej?
- Akú metódu zvoliť na testovanie elektrolytu na prítomnosť vody?
- Aká metóda sa odporúča na testovanie pevnej katódy, anódy a separátora na prítomnosť vody?
- Mala by sa kontrolovať hustota elektrolytu?
- Ako môže tepelná analýza prispieť k vyšetrovaniu bezpečnosti lítium-iónových batérií?
- Ako možno syntézu materiálu grafénovej anódy skúmať simultánnou termickou analýzou?
- Prečo je dôležité vypínanie separátora a ako sa dá skúmať?
- Môže agresívny materiál poškodiť meracie zariadenie používané na formulovanie dávky kalu?
- Ako kalibrovať priemyselnú váhu v strojovom a výrobnom systéme?
- Aký je prínos plnenia elektrolytu na základe hmotnosti?
- Ako presne môžete merať proces plnenia elektrolytom?"
- Môžem pomocou priemyselnej váhy odhaliť skryté časti v batériových moduloch?
- Prečo je pri výrobe PCAM dôležitá presná kontrola pH procesu?
- Ako môžem zabrániť degradácii PCAM v kryštalizátoroch?
- Ako si môžem byť počas kalcinácie PCAM istý, že koncentrácia kyslíka je na požadovanej úrovni?
1. Aké sú výhody lítium-iónových batérií?
Lítium-iónové batérie sa dajú dobíjať stovkykrát a sú stabilnejšie. Majú zvyčajne vyššiu energetickú hustotu, napäťovú kapacitu a nižšiu mieru samovybíjania ako iné nabíjateľné batérie.
2. Aká je životnosť lítium-iónovej batérie?
Obvyklá životnosť lítium-iónovej batérie je približne dva až tri roky alebo 300 až 500 nabíjacích cyklov, podľa toho, čo nastane skôr.
3. Aká je bezpečná prevádzková teplota lítium-iónovej batérie?
Lítium-iónové batérie fungujú optimálne, keď sa nabíjajú pri teplote od 0 °C do 45 °C. Optimálna teplota vybíjania je od -20 °C do 60 °C.
4. Aký je vplyv vody vo vnútri lítium-iónovej batérie?
Voda vo vnútri lítium-iónovej batérie reaguje s elektrolytom a spôsobuje škodlivé produkty, ako je kyselina fluorovodíková (HF). Tieto chemikálie vedú k degradácii elektród, narúšajú celkovú funkciu a v konečnom dôsledku znižujú kapacitu. Okrem toho môže voda viesť k tepelnému úniku, ktorý vedie k výbuchu batérie.
5. Ktoré súčasti batérie je potrebné testovať na prítomnosť vody?
Všetky súčasti batérie sa musia pred zabudovaním do batérie testovať na prítomnosť vody. Všetky komponenty, ktoré sú vo vzájomnom kontakte prostredníctvom kvapalného elektrolytu.
6. Mal by sa elektrolyt pred naplnením do batérie testovať na prítomnosť vody aj kyseliny fluorovodíkovej?
Kyselina fluorovodíková (HF) je známa tým, že má zlý vplyv na výkon batérie. Vzniká reakciou elektrolytu s vodou. Táto reakcia môže nastať vo vnútri batérie, ale aj počas výroby elektrolytu. Preto je dôležité, aby sa elektrolyt pred naplnením do puzdra batérie testoval nielen na prítomnosť vody, ale aj na prítomnosť samotného HF.
7. Akú metódu zvoliť na testovanie elektrolytu na prítomnosť vody?
Coulometrická Karl Fischerova (KF) titrácia je metódou voľby na stanovenie nízkeho obsahu vody vo vzorkách, ako sú elektrolyty. Analýza je rýchla, spoľahlivá a nie je potrebná žiadna príprava vzorky. Vzorka elektrolytu sa vstrekne do titračnej nádoby a výsledok sa získa po - 2 minútach.
8. Ktorá metóda sa odporúča na testovanie pevnej katódy, anódy a separátora na vodu?
Tvrdé vzorky nemožno priamo vstrekovať do Karl Fischerovej titračnej nádoby. Takže na extrakciu vody je najprv potrebná extrakčná pec v plynnej fáze. Pece InMotion KF automaticky zahrievajú pevnú vzorku na zvýšenú teplotu a prúd suchého dusíka prenáša odparenú vodu do coulometrickej titračnej cely, kde sa deteguje. Analýza je plne automatizovaná. Elektróda sa naplní do fľaštičiek a metóda sa spustí pomocou funkcie OneClick™.
9. Mala by sa kontrolovať hustota elektrolytu?
Hustota kvapaliny závisí od jej zloženia. Voda a iné nečistoty menia hustotu elektrolytu. Rýchla kontrola hustoty elektrolytu môže odhaliť nečistoty a zlú kvalitu.
10. Ako môže tepelná analýza prispieť k testovaniu bezpečnosti lítium-iónových batérií?
Termogravimetrická analýza (TGA) a diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC) sú cenné nástroje na určenie tepelnej stability a profilu rozkladu rôznych zložiek batérie. Tepelné vyčerpanie batérie možno skúmať aj v bežných a extrémnych situáciách.
11. Ako možno skúmať syntézu materiálu grafénovej anódy pomocou simultánnej tepelnej analýzy?
Jednoduchou a lacnou cestou na získanie grafénu je redukcia oxidu grafénu, ktorý sa dá ľahko získať z grafitu. Postupnú redukciu oxidu grafénu možno ľahko sledovať pomocou TGA/DSC.
12. Prečo je vypnutie separátora dôležité a ako sa dá vyšetriť?
Na bezpečnostné účely je dôležité, aby sa separátor vypol (t. j. uzavrel póry) pred začiatkom tavenia. To možno potvrdiť termomechanickou analýzou (TMA), ktorá charakterizuje zmršťovanie a tavenie membrány separátora.
13. Mohol by agresívny materiál poškodiť meracie zariadenie používané na formulovanie dávky suspenzie?
Váhové moduly a snímače zaťaženia sa zvyčajne inštalujú na vonkajšej strane nádrže alebo miešačky, takže meracie zariadenie nemá priamy kontakt s horúcimi, studenými, agresívnymi alebo výbušnými materiálmi. Okrem toho sú tieto snímače presné bez ohľadu na tvar, povrch, di-elektrickosť, Reynoldsovo číslo, viskozitu alebo akékoľvek iné vlastnosti materiálu.
14. Ako môžem kalibrovať priemyselnú váhu v mojom strojovom a výrobnom systéme?
Snímače zaťaženia a váhové moduly, ktoré sú integrované v strojových a výrobných systémoch, sú kľúčové komponenty, ktoré musia fungovať bezpečne a presne. Spoločnosť METTLER TOLEDO ponúka kalibračné služby na mieru pre každú kapacitu, ktoré pomáhajú zabezpečiť konzistentné výsledky a spoľahlivú prevádzku. Tieto služby zahŕňajú, kalibráciu skúšobných závaží, kalibráciu skúšobných závaží a substitúciu materiálu, hydraulickú kalibráciu RapidCal™ , a kalibráciu CalFreePlus s POWERCELL®.
15. Aký je prínos plnenia elektrolytom na základe hmotnosti?
Plnenie elektrolytu priamo na váhe umožňuje uzavretú slučku medzi snímačom a plniacim zariadením. To znamená, že ste schopní neustále nastavovať plniace zariadenie počas celej výroby, čím sa eliminujú faktory neistoty a zaručuje sa stála kvalita batériových článkov.
16. Ako presne môžete merať proces plnenia elektrolytu?
Pri výbere technológie váženia na plnenie elektrolytom musíte brať do úvahy predovšetkým dôležité parametre, ako sú čitateľnosť, opakovateľnosť a citlivosť. Najdôležitejšie je vyhnúť sa používaniu rozlíšenia ako jediného kritéria výberu, pretože to samo o sebe nezaručuje stabilné výsledky ani vysokú kvalitu.
17. Môžem zistiť skryté časti v batériových moduloch pomocou priemyselného meradla?
Na konci montáže batériového modulu je možné vykonať tzv. tárovanie a krížovú kontrolu hmotnosti. Týmto postupom dokážete skontrolovať, či sú všetky výrobky na palube a či do modulu počas montáže nič nezapadlo. Okrem toho váženie nie je ovplyvnené lesklými hliníkovými povrchmi.
18. Prečo je pri výrobe PCAM dôležitá presná kontrola pH procesu?
Hodnota pH v procese vyýroby priamo ovplyvňuje veľkosť a morfológiu častíc a ako také je zodpovedné za výkon batérie; nabíjanie/vybíjanie..
19. Ako môžem zabrániť degradácii PCAM v kryštalizátoroch?
Prítomnosť kyslíka v reaktoroch počas syntézy PCAM môže ľahko viesť k tvorbe nežiaducich oxidov NCM; Preto je dôležité udržiavať inertnú atmosféru v hlavnom priestore reaktora. Kontinuálne meranie kyslíka in situ poskytuje okamžité upozornenie na vniknutie vzduchu alebo nedostatočné krytie dusíkom.
20. Ako si môžem byť počas kalcinácie PCAM istý, že koncentrácia kyslíka je na požadovanej úrovni?
Meranie O2 vo vetracom potrubí kalcinera PCAM je zložité kvôli vysokým teplotám, vlhkosti a prachu. Analyzátor kyslíka GPro 500 in situ (alebo v extrakčnej konfigurácii) toleruje takéto podmienky a poskytuje presné merania umožňujúce rýchle riadenie procesu.