LITHIUM-IONTOVÉ BATERIE

LITHIUM-IONTOVÉ BATERIE

ANALYTICKÉ NÁSTROJE PRO CHARAKTERIZACI FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ BATERIÍ

Výzkum, vývoj a využití lithium-iontových baterií je jedním z nejrychleji rostoucích průmyslových segmentů na světě. Řada produktů, včetně kardiostimulátorů, dronů, automobilů a nyní dokonce i letadel, je napájena z baterií. Zajištění bezpečnosti, výkonu a spolehlivosti baterií je důležitější než kdy dříve.

Bezpečnost, výkon a životnost baterie však budou pouze tak dobré, jako jsou materiály, ze kterých je vyrobena. Konkrétně elektrody, separátor a elektrolyt musí být plně charakterizovány a monitorovány od okamžiku, kdy se dostanou do výrobního závodu, až po jejich začlenění do konečného produktu.

Musí se měřit mimo jiné následující parametry: plocha povrchu elektrody, krystalická struktura, velikost částic a krystalitů, velikost pórů, tok elektrodové suspenze a vlastnosti vytvrzování, chemická čistota surovin, velikost pórů separátoru a vlastnosti jeho struktury, viskozita elektrolytu, hustota a bod vzplanutí.

Přečtěte si „Průvodce charakterizací materiálů baterií“, aktualizovaný o nové technologie a aplikace

Naše e-kniha vám vysvětlí, jak charakterizovat základní materiály lithium-iontových baterií, jako jsou materiály pro elektrody, suspenze, separátory a elektrolyty ve všech fázích výrobního procesu, aby vaše baterie předčily konkurenci.

Zde si přečtěte další informace

Promluvme si o bateriích podle společnosti Anton Paar

Odborníci na baterie společnosti Anton Paar poskytují přehled nejběžnějších charakterizačních technik používaných při výzkumu a vývoji a výrobě lithium-iontových baterií. V této sérii videí se odborník na baterie společnosti Anton Paar věnuje řadě témat týkajících se charakterizace fyzikálních vlastností materiálů baterií během výroby.

 

In this video, we present a comprehensive guide to analyzing the particle size and shape of battery electrode materials. We cover particle sizing through the application of dynamic light scattering (DLS), laser diffraction, and dynamic image analysis (DIA). These versatile technologies empower you to precisely measure particles across a broad spectrum of size ranges. Furthermore, you will gain a deeper understanding of the pivotal role played by particle size in influencing the diffusion of lithium-ions and how particle shape significantly impacts the homogeneity of the battery slurry.

Pevný materiál elektrody

Elektrody (katody a anody) lithium-iontových baterií hrají klíčovou roli při přenosu iontů, a proto jsou klíčové pro efektivní přenos energie. Tyto elektrody se skládají ze zhutněných částicových materiálů. Jak chemické složení, tak fyzikální vlastnosti těchto materiálů kriticky ovlivní výkon, životnost a bezpečnost baterie, což ve svém důsledku povede k optimalizaci návrhu baterie pro její zamýšlené použití. Fyzikální vlastnosti materiálu elektrody, jako je plocha povrchu, velikost částic a velikost pórů, velikost a tvar krystalitů mají přímý vliv na výměnu náboje v rámci jednoho článku. Klíčovou roli ve vnitřní vodivosti baterie hrají další fyzikální vlastnosti, jako je hustota pevné látky, skeletální hustota a zeta potenciál částic materiálu elektrody. Životnost baterie koreluje nejen s kvalitou povlaku elektrody, ale také s jeho přilnavostí k elektrodě samotné. To lze přesně posoudit pomocí kvantifikovatelného scratch testu. Dalším klíčovým krokem při vývoji elektrodových materiálů je testování kontaminace těžkými kovy. Mikrovlnný rozklad s kyselinou je počátečním krokem přípravy vzorku pro analýzu těžkých kovů. Pomocí metod jako je XRD nebo SAXS je také možné charakterizovat vlastnosti materiálů elektrody za provozu v kompletně sestavených bateriích za účelem sledování změn během procesu nabíjení a vybíjení.

Elektrodové suspenze

Správný návrh a vývoj procesů míchání a potahování anodové a katodové suspenze je jednou ze zásadních součástí výkonu baterie. Znalost parametrů, jako je hustota, viskozita, viskoelasticita a tixotropní chování suspenze, poskytuje informace pro stanovení a řízení složení a konzistence. Během míchání se tak lze vyhnout zbytečnému protřepávání – stačí zjistit čas, rychlost a teplotu, které jsou potřeba k dosažení homogenity. Pokud jde o výběr vhodného čerpadla nebo úpravu složení pro lepší čerpatelnost, je třeba prozkoumat viskozity závislé na smykové rychlosti a mez kluzu. Dobré vyrovnání povrchu během procesu potahování lze sledovat měřením strukturální obnovy.

Suspenze, která se bude uchovávat, by neměla sedimentovat a měla by si zachovat svou homogenitu, která se získává zkouškami viskoelasticity a měřením zeta potenciálu. Kromě toho povrchová plocha částic suspenze přímo souvisí s jejím složením a chováním a znalost tohoto parametru pomáhá snižovat náklady na materiál a zajišťovat stálou kvalitu.

Separátory a sběrače proudu

Separátor v lithium-iontové baterii je tenká porézní membrána, která hraje klíčovou roli ve funkci baterie tím, že zabraňuje zkratu mezi anodou a katodou, a zároveň umožňuje tok iontů mezi nimi. Separátory musí být mechanicky robustní, stabilní v podmínkách aktivní baterie a inertní vůči jiným materiálům článků. Stále však musí být dostatečně porézní, aby umožňovaly transport iontů.  Velikost průchozích pórů separátoru je klíčovým parametrem pro zajištění optimální funkčnosti baterie. Póry musí být dostatečně malé, aby zabránily tvorbě dendritů napříč separátorem a způsobit zkrat, ale dostatečně velké, aby usnadnily tok iontů mezi katodou a anodou. Kromě toho je třeba detekovat větší póry nebo dírky, odstranit je a předcházet jim, protože mohou vést ke zkratům.  Dalším klíčovým parametrem separátorů je jejich mechanická pevnost a strukturální vlastnosti. Konkrétně měření požadovaného předpětí separátoru je klíčem k zamezení prasknutí nebo roztržení během montáže a také k prověšení po montáži. 

Elektrolyty

Elektrolyt v lithium-iontových bateriích hraje klíčovou roli ve funkci baterie, protože umožňuje přenos náboje mezi anodou a katodou. Elektrolyt také stabilizuje povrchy katody a anody a prodlužuje životnost baterie. Důkladná charakteristika fyzikálních vlastností elektrolytu, konkrétně hustoty a viskozity, je klíčová pro zajištění vodivosti, správného smáčení a plnění.  Viskozita roztoku elektrolytu hraje rozhodující roli ve výstupním výkonu baterie a také při optimalizaci procesu plnění baterie. Kvalita rozpouštědla elektrolytu, stejně jako rozpouštění a koncentrace soli, jsou také klíčovými faktory výkonu baterie. Měření hustoty a indexu lomu roztoku elektrolytu je rychlou a přesnou metodou kontroly kvality pro zajištění správné kvality rozpouštědla a také rozpuštění a koncentrace soli.  Dalším kritickým aspektem lithium-iontových elektrolytů je jejich bod vzplanutí; přesné měření tohoto parametru je klíčové pro zajištění tepelné bezpečnosti baterií.


Výroba a údržba olověných akumulátorů

Ať už vyrábíte, udržujete nebo obsluhujete olověné akumulátory, chcete znát koncentraci kyseliny sírové v akumulátoru, a tedy stav nabití.

Výroba a výzkum vodíkových palivových článků

Abyste dosáhli nejlepšího výkonu palivových článků, musíte porozumět fyzikálně-chemickým vlastnostem aktivních složek a upravit je ve svůj prospěch. Firma Anton Paar má technologie potřebné k optimalizaci každé součásti.