Verständnis des Pulververhaltens in der Batterieherstellung

von Ai Kano, Thursday, 4th February 2021

※Dieser Artikel ist eine überarbeitete Version des Materials AP113 der Freeman Technology für japanische Kunden※

Beziehung zwischen Batterien, Slurries und Pulvern

Lithium-Ionen (Li-Ionen)-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihrer Beständigkeit gegen Selbstentladung und ihres äußerst geringen Memory-Effekts als wiederaufladbare Batterien in einer Vielzahl von Anwendungen wie Unterhaltungselektronik, Elektrowerkzeugen, Automobil- und Luftfahrtindustrie weit verbreitet.
Abbildung: Allgemeine Prozessschritte bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien
Verschiedene Schritte im Prozess hängen stark von der Qualität der zu Beginn des Prozesses hergestellten Slurry ab. Die Eigenschaften des Slurrys hängen von den Eigenschaften des mit Bindemitteln und Lösungsmitteln gemischten Pulvers sowie ihrem Verhalten im Mischprozess ab.
Um eine optimale Prozessleistung und ein hochwertiges Endprodukt zu gewährleisten, ist es notwendig, wichtige Kriterien wie den Feinstanteil, die Viskosität und den Feststoffanteil im Zustand des Slurrys zu erfüllen. Insbesondere beeinträchtigt die Homogenität der Feststoffe die Effizienz der Substratbeschichtung vom Slurry. Daher ist es wichtig, während des Misch- und Dispersionsprozesses die Agglomeration von Pulvern zu verhindern.

Bewertung der pulverbezogenen Eigenschaften im Prozess

Die Fließeigenschaften von Pulvern sind entscheidend für die Mischeistung und Dispersionsleistung bei der Slurry-Bildung und beeinflussen Faktoren wie Fließverhalten und Agglomeration. Die folgenden Daten zeigen, wie die mit dem Pulverrheometer FT4® gemessenen Eigenschaften mit der Bearbeitung von Lithium-Ionen-Batterien im Produktionsprozess korrelieren.
Anoden wurden unter Verwendung von drei unterschiedlichen LiFePO4-Chargen von verschiedenen Lieferanten hergestellt. Während Charge 1 eine homogene Slurry-Bildung zeigte, fehlte es bei Charge 2 und Charge 3 an Homogenität, was zu Systemabschaltungen und Außerkraftsetzung des Produkts durch Blockaden führte.
Das analysierte Materialpulver zu diesem Zeitpunkt ist im obigen Bild dargestellt. Die SE quantifiziert den Grad der physikalischen Verzahnung und Reibung zwischen den Partikeln. Die niedrigen SE-Werte von Charge 1 legen nahe, dass die Partikel freier dispersiert werden können, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Agglomeratbildung durch Bindung reduziert wird.
Auch die Luftdurchlässigkeit des Pulvers wurde überprüft.
Die Durchlässigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Pulvers, eingeströmte Luft abzulassen oder zurückzuhalten.
Der Anstieg des Druckabfalls, der für Charge 1 verzeichnet wurde, deutet auf eine verringerte Durchlässigkeit hin, was wahrscheinlich auf die effizientere Befüllung der Pulverschicht zurückzuführen ist. Normalerweise fließt ein Pulver mit höherer Regelmäßigkeit der Packungsstruktur freier, was auch eine freiere und gleichmäßigere Dispersion ermöglicht. Auch bei niedriger Adhäsionsstärke reduziert sich das Risiko der Agglomeration.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass zur Herstellung einer homogenen Slurry für die Anode in der Produktion von Li-Ionen-Batterien Pulver mit geringer physikalischer Verzahnung und Reibung sowie geringer Durchlässigkeit nützlich sind. Der multivariate Ansatz des Pulverrheometers FT4 ermöglicht eine genaue Quantifizierung dieser Eigenschaften und so eine klare Definition der Pulverspezifikationen.
Pulverrheometer FT4

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