Optimierung der Herstellung von Elektroden für Li-Ionen-Batterien - Fallstudie zur Ausbeute

Das FT4 ^{Pulverrheometer®} ist ein vielseitiges Instrument, das sowohl bei der Herstellung von nassen als auch festen Lithium-Ionen-Batterieelektroden eingesetzt werden kann. Die umfassende Analyse des Pulverflusses kann dazu beitragen, den Wirkungsgrad der Batterie zu verbessern, die Packungsdichte der Elektroden zu optimieren, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern und bei Nassprozessen die Agglomeration und Dispergierbarkeit der Aufschlämmung zu kontrollieren.

In diesem Anwendungsbericht wird beschrieben, wie das FT4 ^{Pulverrheometer®} verwendet werden kann, um Spezifikationen zur Verbesserung der Elektrodenausbeute für Nassprozesse mit einer Aufschlämmung des aktiven Materials zu entwickeln.

Bestimmung von robusten Pulverspezifikationen

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind eine fortschrittliche Technologie, die eine Schlüsselrolle beim Trend zu erneuerbaren und nachhaltigen industriellen Elektrifizierungslösungen spielen wird. Die hohe Energiedichte, die hohe Leistungsdichte und die lange Lebensdauer haben ihre Einführung vorangetrieben, und es wird erwartet, dass Anwendungen in der Automobilindustrie, der Netzstromspeicherung und der Unterhaltungselektronik das Wachstum in den kommenden Jahren noch weiter vorantreiben werden.

Abbildung 1 zeigt ein typisches Herstellungsverfahren für Li-Ionen-Batterien. Die aktiven Anoden- und Kathodenmaterialien werden zu einer Aufschlämmung verarbeitet, bevor sie beschichtet, kalandriert und getrocknet werden. Diese nachfolgenden Schritte hängen in hohem Maße von der Qualität der zu Beginn des Prozesses hergestellten Aufschlämmung ab.

Die Eigenschaften der Aufschlämmung hängen vom Verhalten des Wirkstoffs, des Bindemittels und der Lösungsmittel während des Mischvorgangs ab. Einige Schlüsseleigenschaften zur Gewährleistung einer hohen Ausbeute sind Kornfeinheit, Viskosität und Feststoffgehalt. Eine gleichmäßige Dispersion des Feststoffgehalts (aktive Materialien) mit minimaler Agglomeration ist entscheidend für ein hochwertiges Endprodukt.

Dieser Anwendungsbericht zeigt, wie das FT4 ^{Pulverrheometer®} die Schlüsseleigenschaften eines Batterieelektrodenmaterials bestimmen kann, wodurch robuste Pulverspezifikationen definiert werden können.

Typischer Herstellungsprozess für Li-on-Batterien — Abbildung 1: Typischer Herstellungsprozess für Lithium-Ionen-Batterien

Fallstudie zur Charakterisierung von Kathodenpulver

Ein in der Automobilindustrie häufig verwendetes Kathodenmaterial ist _LiFePO4 (LFP). Selbst wenn die chemische Zusammensetzung gleich bleibt, können geringfügige Abweichungen in den physikalischen Eigenschaften von LFP-Chargen die Fertigungsleistung und den Ertrag erheblich beeinträchtigen. In dieser Fallstudie wurde festgestellt, dass die LFP-Lieferungen von drei verschiedenen Lieferanten während der Herstellung unterschiedlich funktionieren, was zu Schwankungen bei Qualität und Ertrag führt. Proben jeder Charge wurden mit dem FT4 ^{Pulverrheometer®} analysiert, um festzustellen, ob die rheologischen Eigenschaften zur Bestimmung der optimalen Rohstoffe herangezogen werden können.

Zwei rheologische Eigenschaften, die beeinflussen können, wie sich ein Pulver mischt und dispergiert, sind die spezifische Energie und die Permeabilität

Die spezifische Energie (SE) quantifiziert den Grad der mechanischen Verzahnung und Reibung zwischen den Partikeln. Niedrigere Werte werden in der Regel mit regelmäßigeren, kugelförmigen Partikeln in Verbindung gebracht.
Die Permeabilität beschreibt die Fähigkeit eines Pulvers, mitgerissene Luft freizugeben oder zurückzuhalten. Ein höherer Druckabfallwert bedeutet eine geringere Permeabilität.

Spezifische-Energie-drei-LFP-Chargen — Abbildung 2 - Spezifische Energie (SE) für drei LFP-Chargen

Abbildung 2 zeigt die SE-Werte für die drei Chargen. Der niedrigere Wert für Charge 1 deutet auf eine geringere mechanische Verzahnung und Reibung zwischen den Partikeln hin. Dies deutet darauf hin, dass die Partikel weniger wahrscheinlich agglomerieren und sich gleichmäßiger verteilen können. Die Herstellungserfahrung zeigte, dass Charge 1 tatsächlich einen homogeneren Schlamm erzeugte, was zu einer höheren Ausbeute bei der Elektrodenproduktion führte. Die Chargen 2 und 3 erzeugten höhere SE-Werte und zeigten bei der Herstellung eine uneinheitliche Leistung, einschließlich Verstopfungen, die zu Systemausfällen und Produkten außerhalb der Spezifikationen führten.

Abbildung 3 - Permeabilität, ausgedrückt als Druckabfall, für drei LFP-Batches

Abbildung 3 zeigt die Permeabilitätsprofile für die drei Materialien, angegeben als Druckverlust. Charge 1 erzeugt den höchsten Druckabfallwert, was auf eine geringere Permeabilität schließen lässt. In diesem Szenario ist der höhere Druckabfall eine Folge eines effizient gepackten Pulverbettes, das die Übertragung von Luft verhindert. Dies ist typischerweise mit Materialien verbunden, die effizient fließen und sich verteilen können, was die beobachtete Korrelation mit der Prozessleistung und den SE-Werten untermauert.

Schlussfolgerung

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass weniger durchlässige Pulver mit einem geringen Grad an mechanischer Verzahnung und Reibung besser für den Slurry-Produktionsprozess geeignet sind, was zu einer besseren Ausbeute führt. Der multivariate Ansatz des FT4 ^{Pulverrheometers®} ermöglicht es, relevante Eigenschaften zu identifizieren und genau zu quantifizieren, so dass robuste Pulverspezifikationen definiert werden können.