Das AutoPore V verwendet die Quecksilberporosimetrie, die für die Charakterisierung von Separatoren und Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden kann. Diese einzigartig wertvolle Technik bietet Schnelligkeit, Genauigkeit und Charakterisierung von Eigenschaften, die für Sicherheit, Energiedichte und längere Lebensdauer entscheidend sind. Mit der MicroActive-Software können die Benutzer Daten interaktiv auswerten, indem sie auf einfache Weise Daten ein- oder ausschließen, den gewünschten Bereich der experimentell erfassten Datenpunkte interaktiv anpassen und die Berechnungsbalken verschieben.

In diesem Anwendungsbericht wird eine Testmethode beschrieben, bei der das AutoPore V und die dazugehörige MicroActive-Software verwendet werden, um die Porenstruktur eines Li-Ionen-Batterieseparators zu charakterisieren.

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind eine fortschrittliche Energiespeichertechnologie, die beim Trend zu erneuerbaren und nachhaltigen Industrielösungen, die eine Elektrifizierung beinhalten, eine Schlüsselrolle spielen wird. Sie haben eine hohe Energiedichte, eine hohe Leistungsdichte und eine lange Lebensdauer, was die Einführung von Li-Ionen-Batterien vorangetrieben hat. Separatoren sind eine wichtige Komponente in einer Li-Ionen-Batterie, die Anode und Kathode mechanisch trennt und gleichzeitig eine maximale Ionenleitfähigkeit des Li-Ionen-haltigen Elektrolyten ermöglicht. Ihr Design und ihre Leistung wirken sich direkt auf die Kapazität, die Lebensdauer und die Sicherheitsleistung der Batterie aus.

Der Separator muss eine ausreichende Porosität aufweisen, um den flüssigen Elektrolyten aufzunehmen, aber eine zu große Porosität behindert die Fähigkeit der Poren, sich zu schließen, wodurch eine überhitzte Batterie abgeschaltet wird. Die Porengröße muss kleiner sein als die Partikelgröße der Elektrodenkomponenten, gleichmäßig verteilt sein und gleichzeitig eine gewundene Struktur aufweisen. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Stromverteilung und trägt dazu bei, das Wachstum von Lithium-Dendriten auf der Anode zu unterdrücken. In diesem Anwendungsbericht wird gezeigt, wie der AutoPore mit Hilfe der Quecksilberintrusion zur Bestimmung der Porosität und der Porengrößenverteilung in einem innovativen Batterieseparator eingesetzt wird.

Technik zur Charakterisierung von Batterieseparatoren

Die Porosität eines Separators, auch Diaphragma genannt, wird in der Regel direkt mit der Quecksilberintrusionsmethode gemessen, und das Porositätsergebnis liegt im Allgemeinen bei 40-60 %. Abscheider sind dünne Schichten, weniger als 100 µm dick, und um die statistische Zuverlässigkeit der Messung zu verbessern, besteht eine Probe aus mehreren Stücken, die so groß sind, dass sie in den Probenhalter oder das Penetrometer passen. Wenn jedoch die Quecksilberintrusionsmethode zur Prüfung der Porosität der Membran verwendet wird, ist es wahrscheinlich, dass Quecksilber in die Lücken zwischen diesen Prüfstücken eindringt.

Dieses Eindringen in den Überwachungsraum zwischen den Probestücken scheint auf die Füllung sehr großer Poren hinzuweisen, die für das Material nicht charakteristisch sind. Zu Beginn wird das Penetrometer mit Quecksilber bei sehr niedrigem Druck gefüllt, damit sich vor Beginn der Analyse keine Poren füllen.

Da der Druck in kleinen Schritten erhöht wird, um immer kleinere Poren zu füllen, wird der Überwachungsraum vor der Füllung der eigentlichen Poren gefüllt. Dies führt zu einem Fehler in der scheinbaren Porenvolumenverteilung. In diesem Anwendungshinweis wird eine Methode beschrieben, mit der der Beitrag der Zwischenraumfüllung zur Porositätsanalyse des Separators ermittelt und eliminiert werden kann.

Verständnis der Porosität von Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien

Bei der Entwicklung neuer Abscheiderkonstruktionen mit unbekannter Porenstruktur ist auch der Druckbereich, in dem das Eindringen in die Poren erfolgt, nicht bekannt. Führen Sie in diesem Fall eine Analyse des Abscheiders mit einem niedrigen Fülldruck durch, z. B. 1,0 psia, was gemäß der Washburn-Gleichung etwa 180 µm entspricht.

D = -4γcosθ /P
γ=485 dyne/cm (Oberflächenspannung von Quecksilber)
θ=130° (Kontaktwinkel zwischen Quecksilber und Abscheider)

Kumulative Intrusion und logarithmische Differentialintrusion für vollständige Quecksilberintrusionsergebnisse

Die Abbildungen 2a und 2b zeigen die kumulative Intrusion und die logarithmische differentielle Intrusion als Funktion des angewandten Drucks bzw. des Porendurchmessers für den Separator. Bei den meisten Abscheidern sind die Poren in der Regel weniger als ein paar hundert Nanometer groß. In diesem Beispiel scheint der größte Teil des Porenvolumens größer als 10.000 nm (10 µm) zu sein, mit einem Porenvolumen von etwa 6 mL/g. Dies ist viel größer als für eine Batterieseparatormembran zu erwarten ist. Aufgrund der geringen Dicke der Separatoren ist es notwendig, mehrere Stücke zu analysieren, um statistisch relevante Porengrößenverteilungen zu erhalten. Die Analyse der gestapelten Stücke ergibt eine scheinbare Porosität, die auf die Füllung des Raums zwischen den Schichten des getesteten Separators zurückzuführen ist. Dieses interstitielle Volumen ist nicht Teil des tatsächlichen Porenvolumens des Separators.

Ein erneuter Blick auf die vollständigen Analyseergebnisse in Abbildung 2b zeigt, dass es zwei Bereiche mit offensichtlicher Porenintrusion gibt: den Bereich mit Porengrößen von mehr als einigen tausend nm und den Bereich mit kleineren Porengrößen. Mit den MicroActive-Funktionen der AutoPore-Software können die Berichte so bearbeitet werden, dass sie nur die Intrusion enthalten, die eine Porenfüllung darstellt. Durch einfaches Verschieben der Bereichsbalken mit der Computermaus kann der einzubeziehende Bereich schnell angepasst werden, und die sich daraus ergebenden Änderungen der Porengrößenverteilung sowie der Dichten und Porositäten werden in Echtzeit angezeigt. Darüber hinaus können Materialkompressibilität und Porenstrukturstatistiken wie Tortuositätsfaktor und Durchlässigkeit angepasst werden.

In Abbildung 3 wurde der Bericht so bearbeitet, dass eine Intrusion in Räume mit einer Größe von mehr als 2 µm (2000 nm) ausgeschlossen wurde. Die sich daraus ergebende Zusammenfassung der Intrusion ist in Tabelle 1 dargestellt, mit einem spezifischen Porenvolumen von 0,7 cm³/g, einer mittleren Porengröße von 0,132 µm (132 nm) und einer prozentualen Porosität von 40 %, wie sie für eine Polyethylen-Lithiumbatterie-Separatormembran zu erwarten wäre, mit einer daraus errechneten Tortuosität.

Kumulative Intrusion und logarithmische Differenzintrusion im Vergleich zum Porendurchmesser

Bearbeitet, um interstitielle Füllung zu entfernen

Tabelle 1: Zusammenfassung nach Entfernung der Zwischengitterfüllung.

Intrusionsdaten & Zusammenfassung der Porenstruktur

Prüfen Sie das Ergebnis

Schlussfolgerung

Mit der MicroActive-Funktion der AutoPore V-Software und ein wenig Wissen über die zu erwartende Gesamtporosität des Separators kann die Porenvolumenverteilung so optimiert werden, dass die interstitielle Quecksilberfüllung entfernt wird, selbst wenn der Bereich, in dem sie auftritt, vor der Analyse nicht bekannt ist.

Das Erscheinungsbild der kumulativen Intrusionskurve und der logarithmischen Differenzkurve zeigt, wo die Trennung zwischen interstitieller Füllung und Porenfüllung erfolgt. Die kumulative Kurve wird fast flach, und das Log-Differential zeigt ein relatives Minimum im gleichen Druckbereich. Das sich daraus ergebende Porenvolumen und die prozentuale Porosität, die auf der Skelettdichte des Separators basieren, helfen dabei, die Wahl des Trennpunkts zwischen dem interstitiellen und dem porenfüllenden Bereich zu bestätigen.

Mit dieser Technik können die falschen Poreninformationen eliminiert und die Poreneigenschaften wie Porosität, Porenvolumen und Tortuositätsfaktor direkt gemessen werden.