• Lithium-Ionen-Batterien

    Sorgen Sie für eine optimale Batterieleistung mit hochwertigen, gut charakterisierten Batteriematerialien.

  • Die Forschung, Entwicklung und Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien ist eines der am schnellsten wachsenden Industriesegmente der Welt. Zahlreiche Produkte, darunter Herzschrittmacher, Drohnen, Autos und jetzt sogar Flugzeuge, werden mit Batterien betrieben. Es ist wichtiger denn je, dass Batterien sicher, leistungsstark und zuverlässig sind.

    Die Sicherheit, Leistung und Lebensdauer einer Batterie ist jedoch nur so gut wie die Materialien, aus denen sie hergestellt wird. Insbesondere müssen die Elektroden, der Separator und der Elektrolyt vom Zeitpunkt des Eintritts in die Produktionsanlage bis zum Einbau in das Endprodukt vollständig charakterisiert und überwacht werden.

    Messbare Parameter: Elektrodenoberfläche, Kristallstruktur, Partikel- und Kristallitgröße, Porengröße, Fließeigenschaften des Elektrodenslurrys sowie dessen Aushärtungseigenschaften, Porengröße und Struktureigenschaften des Separators, Viskosität, Dichte und Flammpunkt des Elektrolyten.

  • Das E-Book von Anton Paar „Field guide to battery materials characterization“ ist eine Pflichtlektüre für alle Batteriehersteller.

    Erstklassige Batteriematerialien sind die Grundlage für leistungsstarke Batterien. Dieses E-Book mit realen Messdaten zeigt Ihnen, wie Sie die wichtigsten Materialien für Lithium-Ionen-Batterien – Elektroden, Slurries, Separatoren und Elektrolyte – charakterisieren. Finden Sie heraus, wie Sie Ihre Batteriematerialien optimieren, um mit erstklassigen Produkten am Markt zu überzeugen.

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  • Festes Elektrodenmaterial

    Die Elektroden (Kathoden und Anoden) von Lithium-Ionen-Batterien spielen eine Schlüsselrolle bei der Übertragung von Ionen und sind daher entscheidend für eine effiziente Energieübertragung. Diese Elektroden bestehen aus verdichteten partikelförmigen Materialien. Sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien haben einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung, die Lebensdauer und die Sicherheit der Batterie, was wiederum zur Optimierung des Designs der Batterie für den vorgesehenen Einsatz führt.

    Physikalische Eigenschaften des Elektrodenmaterials wie die Oberfläche, die Partikelgröße, die Kristallitgröße und -form sowie die Porengröße wirken sich direkt auf den Ladungsaustausch innerhalb einer einzelnen Zelle aus. Andere physikalische Eigenschaften wie die Kristallstruktur, die Reindichte und Skelettdichte und das Zetapotenzial des Elektrodenmaterials spielen eine wichtige Rolle für die innere Leitfähigkeit der Batterie. Und die Haltbarkeit der Batterie hängt nicht nur von der Qualität der Elektrodenbeschichtung ab, sondern auch von ihrer Haftung an der Elektrode selbst. Dies kann durch eine quantifizierbare Ritzprüfung beurteilt werden.

    Ein weiterer wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Elektrodenmaterialien ist die Prüfung auf Schwermetallverunreinigungen. Der Säureaufschluss ist der erste Schritt der Probenvorbereitung für die Schwermetallanalyse.

    Mit Methoden wie XRD oder SAXS ist es auch möglich, die Eigenschaften von Elektrodenmaterialien im Betrieb in kompletten Batteriebaugruppen zu charakterisieren, um Veränderungen während des Lade- und Entladevorgangs zu überwachen.

    Elektrodenslurries

    Die richtige Gestaltung und Entwicklung der Misch- und Beschichtungsprozesse für die Anoden- und Kathodenslurries ist ein wesentlicher Bestandteil der Batterieleistung. Die Kenntnis von Parametern wie Dichte, Viskosität, Viskoelastizität und thixotropem Verhalten des Schlamms liefert Informationen zur Bestimmung und Kontrolle von Zusammensetzung und Konsistenz. Beim Mischen kann somit unnötiges Rühren vermieden werden, indem die Zeit, die Geschwindigkeit und die Temperatur bestimmt werden, die zum Erreichen der Homogenität erforderlich sind. Bei der Auswahl einer geeigneten Pumpe oder der Anpassung der Formulierung für eine bessere Pumpfähigkeit müssen die schergeschwindigkeitsabhängigen Viskositäten und die Fließgrenze untersucht werden. Eine gute Nivellierung der Oberfläche während des Beschichtungsprozesses kann durch die Messung der Strukturerholung überwacht werden.

    Slurry, der gelagert wird, darf nicht sedimentieren und muss seine Homogenität behalten, die durch Viskoelastizitätstests und Zetapotenzialmessungen ermittelt wird. Darüber hinaus steht die Oberfläche der Slurrypartikel in direktem Zusammenhang mit ihrer Formulierung und ihrem Verhalten, und die Kenntnis dieses Parameters hilft, die Materialkosten zu senken und eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.

    Separatoren und Stromabnehmer

    Der Separator in einer Lithium-Ionen-Batterie ist eine dünne poröse Membran, die eine Schlüsselrolle für die Funktion der Batterie spielt, indem sie einen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verhindert und gleichzeitig den Ionenfluss zwischen ihnen ermöglicht. Die Separatoren müssen mechanisch robust, unter aktiven Batteriebedingungen stabil und inert gegenüber anderen Zellmaterialien sein, aber dennoch porös genug, um den Ionentransport zu ermöglichen. 

    Die Durchgangsporengröße des Separators ist ein Schlüsselparameter für eine optimale Batterieleistung. Die Poren müssen klein genug sein, um zu verhindern, dass sich Dendriten durch den Separator bilden und einen Kurzschluss verursachen, aber groß genug, um den Ionenfluss zwischen Kathode und Anode zu ermöglichen. Außerdem muss die Probe auf größere Poren oder Pinholes überprüft werden bzw. diese verhindert werden, da sie ebenfalls zu Kurzschlüssen führen können. 

    Ein weiterer wichtiger Parameter für Separatoren sind ihre mechanische Festigkeit und ihre strukturellen Eigenschaften. Insbesondere die Messung der erforderlichen Vorspannung von Separatoren ist entscheidend, um einen Bruch oder ein Reißen während der Montage sowie ein Durchhängen nach der Montage zu vermeiden. 

    Elektrolyten

    Der Elektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien spielt eine Schlüsselrolle für die Funktion der Batterie, da er den Ladungstransfer zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Der Elektrolyt stabilisiert auch die Kathoden- und Anodenoberflächen und verlängert die Lebensdauer der Batterie. Eine gründliche Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften des Elektrolyten, insbesondere der Dichte und Viskosität, ist entscheidend für die Gewährleistung der Leitfähigkeit, der richtigen Benetzung und der Befüllung. 

    Die Viskosität einer Elektrolytlösung spielt eine entscheidende Rolle für die elektrische Leistung der Batterie sowie für die Optimierung des Füllvorgangs in die Batterie. Die Qualität des Elektrolytlösungsmittels sowie die Salzauflösung und -konzentration sind ebenfalls Schlüsselfaktoren für die Batterieleistung. Dichte- und Brechungsindexmessungen einer Elektrolytlösung sind ein schnelles und genaues Qualitätskontrollverfahren zur Sicherstellung der richtigen Lösungsmittelqualität sowie der Salzauflösung und -konzentration. 

    Ein weiterer kritischer Aspekt von Lithium-Ionen-Elektrolyten ist ihr Flammpunkt; die genaue Messung dieses Parameters ist der Schlüssel zur Gewährleistung der thermischen Sicherheit von Batterien.


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