Batterie und Energie

Schon immer war die effiziente Umwandlung und Speicherung von Energie eine große Herausforderung. Von der etablierten Lithium-Ionen-Batterietechnologie bis hin zu Neuentwicklungen wie Natrium-Ionen- und Graphen-basierten Batterien erweisen sich diese Energiespeicherlösungen für ein stetig wachsendes Anwendungsspektrum als zunehmend zuverlässig. Elektrofahrzeuge sowie das Spitzen- und Lastmanagement in Stromnetzen – all diese Anwendungen erfordern kontinuierliche Fortschritte in der Batterieforschung, -entwicklung und -produktion.

Bettersize setzt sich dafür ein, seine Kunden bei der Entwicklung effizienter, leistungsstarker und recyclingfähiger Batterietechnologien zu unterstützen. Dieses Engagement umfasst auch die Unterstützung von Anwendern bei einem reibungslosen Übergang zu erneuerbaren Energiespeicherlösungen auf Batteriebasis. Wir bieten ein umfassendes Portfolio an Analyselösungen, das den gesamten Entwicklungsprozess von Batterien abdeckt – von der weit verbreiteten Lithium-Ionen-Technologie bis hin zu neuen Entwicklungen wie Natrium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Zink-Luft- sowie Graphen-basierten Batterien. Diese Lösungen können entlang des gesamten Prozesses eingesetzt werden – von der frühen Forschungs- und Entwicklungsphase bis hin zur Anwendung in der industriellen Produktion.

Durch den Einsatz der Bettersize-Analysegeräte können Sie die Untersuchungen granularer Materialien - einem entscheidenden Element für die Leistungsfähigkeit von Batterien - erheblich beschleunigen und vereinfachen. Diese Systeme ermöglichen es Ihnen, ein tieferes Verständnis der wesentlichen Einflussgrößen auf die Batterieleistung, wie beispielsweise Elektrodenmaterialien und Slurries. Auf dieser Grundlage können Sie verschiedene Aspekte der Batterieentwicklung gezielt optimieren, die Auswirkungen von Anpassungen schnell erkennen und so letztlich eine optimale Batterieleistung erzielen.

Lösungen zur Partikelgrößenanalyse

Die Partikelgröße von Elektrodenmaterialien hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Batterien und wirkt sich auf zentrale Kenngrößen wie Ausgangsleistung, Innenwiderstand, Lebensdauer und Energiedichte aus. Batterieelektroden, insbesondere solche auf Lithiumbasis, werden hergestellt, indem ein leifähiger Stromkollektor mit einem Slurry beschichtet wird, in dem diese Partikel dispergiert sind. Da die Teilchengröße die spezifische Oberfläche beeinflusst und diese wiederum die Elektrodenreationsleistung bestimmt, wirkt sich dieser Parameter direkt auf die Ausgangsleistung aus. Darüber hinaus beeinflusst die Partikelgröße die Effizienz der Ionenbewegung im Bereich der Elektrode und damit den Innenwiderstand. Zudem tragen Veränderungen der Teilchengröße während der Lade- und Entladezyklen zu Kapazitätsverlusten und Alterungsprozessen der Batterie bei. Die Partikelgröße steuert die Kapazität der Elektroden, da kleinere Partikel die verfügbare Oberfläche vergrößern und somit die Leistung verbessern, den Innenwiderstand verringern und die Lade-/Entladezyklen verlängern. Große Partikelgrößen in Elektroden erhöhen jedoch das Risiko schlechter Leitfähigkeit und verringerten Leistung. Die Optimierung der Partikelgröße und -verteilung während der Elektrodenherstellung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Batterieleistung.

Daher ist die Messung der Partikelgröße entscheidend für die Entwicklung neuer Batterien, die Optimierung der Leistung und die Produktion. Idealerweise werden Rohstoffe, Zwischenprodukte und Fertigprodukte während des gesamten Produktionszyklus regelmäßig getestet, um eine gleichbleibende Produktqualität und die Einhaltung der Designvorgaben sicherzustellen. Partikelgrößenmessgeräte der Bettersizer-Serie nutzen die Laserbeugungstechnologie und bieten eine einfache und präzise Methode zur Messung der Partikelgröße in Kathoden- und Anodenmaterialien. Es muss erwähnt werden, dass einige Industriestandards für Lithium-Batteriematerialien eine maximale Partikelgröße (D100) vorschreiben. Der Bettersizer S3 Plus, der mit der innovativen Laserstreulicht-Bild-Kombinationstechnologie von Bettersize ausgestattet ist, liefert auch für größere Partikel genaue und zuverlässige Ergebnisse. Diese hohe Sensitivität hilft, Qualitätsprobleme zu vermeiden, die durch eine geringe Anzahl von Überkörnern entstehen. 

Lösungen zur Partikelform

Die Partikelform in Batterieelektrodenmaterialien spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Leistung, beeinflusst Sicherheit, Lebensdauer, Energiedichte und Ausgangsleistung. Die Form beeinflusst das Fließverhalten (Rheologie) der Elektroden-Slurry. Bei gleichem Materialtyp und Konzentration weisen Slurrys mit unregelmäßigen Partikeln eine höhere Viskosität auf als solche mit abgerundeten Partikeln. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Beschichtung der Elektrode führen, was zu einer hohen lokalisierten Ladungsdichte führt, die die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt. Darüber hinaus beeinflusst die Partikelform die Packungsdichte und Porosität der Elektrodenbeschichtung, die beide die Energiedichte und die Lade-/Entladeeffizienz der Batterie beeinflussen.

Daher ist die Analyse und Optimierung der Partikelmorphologie entscheidend für die Erreichung einer hohen Batterieleistung. Die BeVision Image Particle Size und Shape Analyzers bieten eine schnelle Analyse der Größe und Form statistisch signifikanter Partikelpopulationen und liefern die entscheidenden Informationen, die zur Optimierung der Batteriematerialien und -verarbeitung erforderlich sind.

Lösungen zur Teilchendichtemessung

Sowohl die wahre Dichte als auch die Pulverdichte der Elektrodenmaterialien beeinflussen die Energiedichte einer Batterie. Zwar ist ein geringeres Batteriegewicht wünschenswert, doch eine zu geringe Menge an Elektrodenmaterial verringert die verfügbaren Kationen (geladene Ionen) und begrenzt damit die Energiespeicherkapazität. Daher ist es entscheidend, die Dichte von Lithium-Batteriematerialien durch kontrollierte Synthese und gezielte Materialauswahl zu maximieren, um eine hohe volumetrische Energiedichte zu erreichen. Darüber hinaus können Batterien mit höherer Elektrodenmaterialdichte eine bessere Kapazität und Leistung während des Schnellladung- und Entladevorgangs aufrechterhalten, was zu einem langsameren Kapazitätsverlust führt. Das BetterPyc 380 Pyknometer misst die wahre Dichte von Elektrodenmaterialien, sowohl in Pulverform als auch als Suspension. Zusätzlich können der automatisierte Pulvercharakterisierungstester PowderPro A1 sowie der Stampfdichteprüfer der BeDensi T Pro-Serie die Stampfdichte dieser Materialien analysieren.

Lösungen zur Stabilitätsuntersuchung der Slurries

Die Stabilität der Elektroden-Slurry ist von entscheidender Bedeutung für die Batteriefertigung. Stabile Suspensionen erleichtern die Verarbeitung und die Herstellung der Elektrodenbeschichtungen und führen letztlich zu einer höheren und gleichmäßigeren Batteriequalität.

Die Slurry besteht aus verschiedenen Komponenten – Elektrodenmaterialien, leitfähigen Zusätzen wie Kohlenstoff oder Graphen, Bindemitteln und Lösungsmitteln – und ihre Stabilität hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Elektrodenbeschichtung und die Wahl der Produktionsmethoden.

Ein entscheindender Faktor ist das Zetapotenzial. Diese Eigenschaft bestimmt die Agglomeration der Partikel im Slurry. Partikel mit hohem Zetapotenzial stoßen sich gegenseitig ab und bilden stabile Dispersionen. Teilchen mit einem niedrigen Zeta-Potenzial hingegen neigen zur Agglomeration, was zu ungleichmäßigen Beschichtungen und letztlich zu einer verminderten Batterieleistung führt. Darüber hinaus beeinflusst das Zeta-Potenzial auch die Wechselwirkungen zwischen den Elektrodenmaterialien und dem Slurry.

Der BeNano Nanopartikelgrößen- und Zetapotenzial-Analysator stellt sich dieser Herausforderung: Er ermöglicht die Überwachung und Optimierung des Zetapotenzials der Elektrodenmaterialien und gewährleistet so hochwertige Elektrodenbeschichtungen mit hervorragender Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Konsistenz.