Der rasante Ausbau der Recheninfrastruktur für künstliche Intelligenz (KI) hat zu einer beispiellosen Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für Rechenzentren, Energiespeichersysteme und Elektrofahrzeuge geführt. Dadurch werden immer strengere Anforderungen an die Partikelgrößenverteilung und die Gleichmäßigkeit der Partikelform von Graphitanodenmaterialien gestellt.

Faserförmige Verunreinigungen in Graphitanodenpulver stammen im Allgemeinen aus zwei Quellen: aus Graphitfragmenten, die während der Verarbeitung entstehen, und aus externen, elektrisch isolierenden Fasern, die über Rohstoffe oder Fertigungsprozesse eingetragen werden. Diese faserförmigen Verunreinigungen können die Homogenität der Elektrodensuspension und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung beeinträchtigen und dadurch Oberflächenfehler wie Erhebungen, Streifen und Poren auf den Elektrodenfolien verursachen.

Besonders kritisch ist, dass faserförmige Verunreinigungen während des Ladens die lokale Abscheidung von metallischem Lithium und das Wachstum von Lithiumdendriten begünstigen können, wodurch erhebliche Sicherheitsrisiken entstehen. Außerdem können sie den Innenwiderstand der Zelle erhöhen, den irreversiblen Kapazitätsverlust beschleunigen sowie die Hochstromfähigkeit und die Zyklenlebensdauer verringern.

Herkömmliche Verfahren zur Partikelgrößenbestimmung, wie die Laserbeugung, können faserförmige Verunreinigungen nicht von normalen Graphitpartikeln unterscheiden, da sie ausschließlich Informationen über äquivalente Partikelgrößen liefern. Die dynamische Bildanalyse ermöglicht dagegen die direkte Visualisierung und Klassifizierung sphärischer Graphitpartikel, faserförmiger Agglomerate und einzelner Fasern. Durch die Kombination von Partikelgrößen- und Partikelformmessungen liefert dieses Verfahren präzise quantitative Daten zu jeder Partikelpopulation und ermöglicht so eine vorausschauende Qualitätskontrolle der Graphitrohstoffe vor der Batterieproduktion.

Messmethode

Zur Charakterisierung der Partikelgrößenverteilung und der Partikelform einer Probe aus Graphitanodenmaterial wurde ein BeVision D3 Pro zur dynamischen Bildanalyse von Partikelgröße und Partikelform eingesetzt, ausgestattet mit einer BV-H10 Hydro-Dispergiereinheit.

Tabelle 1. Messbedingungen

Systemkonfiguration des BeVision D3 Pro für die dynamische Bildanalyse (DIA) von Graphitpulvern

Ergebnisse und Diskussion

Zur Charakterisierung der Größe der Graphitpartikel wurde der flächenäquivalente Durchmesser (X_A) verwendet. Der flächenäquivalente Durchmesser ist als Durchmesser eines Kreises definiert, dessen Fläche der projizierten Fläche des Partikels entspricht.

Abbildung 1. Definition des flächenäquivalenten Durchmessers X_A

Zur Charakterisierung der Faserlänge wurde der maximale Feret-Durchmesser (X_Fmax) verwendet. Der Feret-Durchmesser ist als Abstand zwischen zwei parallelen Tangenten an gegenüberliegenden Seiten der projizierten Partikelkontur definiert. Der größte für einen Partikel gemessene Feret-Durchmesser wird als maximaler Feret-Durchmesser X_Fmax bezeichnet.

Abbildung 2. Definition des maximalen Feret-Durchmessers (X_Fmax)

Zur Charakterisierung der Faserbreite wurde der minimale Martin-Durchmesser (X_Mmin) verwendet. Der Martin-Durchmesser ist als Länge der Sehne definiert, die die projizierte Partikelfläche in zwei gleich große Hälften teilt. Der kürzeste für einen Partikel gemessene Martin-Durchmesser wird als X_Mmin definiert.

Abbildung 3. Definition des minimalen Martin-Durchmessers (X_Mmin)

Die Kreisförmigkeit C_aFmax wurde zur Charakterisierung der Partikelform verwendet. Ein Kreisförmigkeitswert nahe 1 weist auf einen nahezu sphärischen Partikel hin, während niedrigere Werte zunehmend längliche, unregelmäßige oder faserförmige Partikelformen kennzeichnen. Dieser Parameter ermöglicht eine besonders empfindliche Unterscheidung zwischen sphärischen Graphitpartikeln und faserförmigen Verunreinigungen.

Abbildung 4. Definition der Kreisförmigkeit C_aFmax

Analyse der Kreisförmigkeit von Graphitpartikeln

Tabelle 2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Partikelform und Kreisförmigkeit. Je näher der Kreisförmigkeitswert an 1 liegt, desto sphärischer ist die Partikelform. Mit abnehmender Kreisförmigkeit geht die Partikelform schrittweise von sphärischen Partikeln über faserförmige Agglomerate zu länglichen Fasern über.

Tabelle 2. Repräsentative Kreisförmigkeitswerte verschiedener Partikeltypen in Graphit

C_aFmax > 0,75: Graphitpartikel mit hoher Sphärizität. Diese Partikel weisen die für Lithium-Ionen-Batterieanoden gewünschte Form auf. Ihre sphärische Form begünstigt eine ausgezeichnete Fließfähigkeit des Pulvers, eine hohe Stampfdichte und die effiziente Bildung eines leitfähigen Netzwerks innerhalb der Elektrode.

0,50 < C_aFmax ≤ 0,75: Faserförmige Agglomerate. Obwohl sie im Allgemeinen weniger schädlich sind als einzelne Fasern, können sie die Stampfdichte beeinträchtigen und zu einer instabilen Rheologie der Elektrodensuspension führen.

C_aFmax ≤ 0,50: Faserförmige Verunreinigungen mit hohem Risikopotenzial. Diese länglichen Partikel stellen die kritischste Verunreinigungskategorie dar. Gelangen sie in Anodensuspensionen, können sie lokale Stromkonzentrationen, die Abscheidung von metallischem Lithium und Mikrokurzschlüsse verursachen und damit die Batterieleistung und -sicherheit erheblich gefährden.

Der BeVision D3 Pro nutzt ein hochauflösendes Blaulicht-Bildgebungssystem, das scharfe Bilder ultrafeiner Partikel erfasst. Die BeVision-Software berechnet automatisch die Kreisförmigkeitswerte aller erkannten Partikel und klassifiziert sie ohne manuellen Eingriff anhand ihrer Form.

Im Vergleich zur Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) bietet die dynamische Bildanalyse einen deutlich höheren Durchsatz, reduziert subjektive Bedienfehler und verbessert die Repräsentativität der Stichprobe. Dadurch liefert sie standardisierte quantitative Kriterien für die Qualitätskontrolle der Graphitmorphologie.

Analyse des Verunreinigungsanteils

Die herkömmliche Laserbeugung liefert volumengewichtete Partikelgrößenverteilungen, in denen faserförmige Verunreinigungen in Spuren verborgen bleiben können. Die dynamische Bildanalyse überwindet diese Einschränkung, indem sie gleichzeitig sowohl volumengewichtete als auch anzahlgewichtete Statistiken bereitstellt.

Dieser Ansatz mit zwei Gewichtungsarten liefert zuverlässigere Informationen für die Prüfung von Graphitrohstoffen und die Optimierung des Sphäroidisierungsprozesses.

Tabelle 3. Volumengewichtete und anzahlgewichtete Anteile der Graphitpartikel

Die Ergebnisse zeigen ein typisches Merkmal faserförmiger Verunreinigungen: einen relativ geringen Volumenanteil bei gleichzeitig hoher Partikelanzahl. Obwohl die Fasern nur 4,90 % des gesamten Probenvolumens ausmachen, stellen sie etwa 38 % aller erfassten Partikel dar. Aufgrund ihres geringen Einzelvolumens können diese Partikel bei der Analyse mit herkömmlichen volumenbasierten Methoden innerhalb der dominierenden Graphitpopulation verborgen bleiben.

Trotz ihres geringen Volumenanteils können zahlreiche faserförmige Partikel während der Lade- und Entladezyklen als Ausgangspunkte für die Abscheidung von metallischem Lithium, Mikrokurzschlüsse und einen beschleunigten Kapazitätsverlust wirken. Ihre wirksame Erkennung und Entfernung im Rahmen der Wareneingangsprüfung ist daher entscheidend für die Batteriesicherheit und die langfristige Leistungsfähigkeit.

Größenanalyse sphärischer Graphitpartikel

Partikel mit Kreisförmigkeitswerten über 0,75 wurden mithilfe der Partikelfilterfunktion der Software ausgewählt. Anschließend wurde ihre Partikelgrößenverteilung anhand des flächenäquivalenten Durchmessers X_A analysiert.

Die ermittelte Partikelgrößenverteilung ist eng und weist nur geringe Ausläufer im Grob- und Ultrafeinbereich auf. Dies deutet auf eine ausgezeichnete Kontrolle der Sphäroidisierungs- und Klassierprozesse hin. Eine einheitliche Partikelgröße und -form sind entscheidend für eine gleichbleibende Verdichtungsdichte der Elektroden und eine einheitliche Kapazität von Zelle zu Zelle. Damit zählen sie zu den zentralen Qualitätsmerkmalen leistungsfähiger Anodenmaterialien.

Mit der Partikelfilterfunktion des BeVision D3 Pro können Anwender den Einfluss faserförmiger Verunreinigungen ausschließen und ausschließlich die Größenverteilung der sphärischen Graphitfraktion auswerten. Dies unterstützt die Prozessoptimierung und eine gleichbleibende Produktqualität.

Abbildung 5. Partikelgrößenverteilung von Graphit mit hoher Sphärizität

Größenanalyse faserförmiger Verunreinigungen

Abbildung 6. Verteilungskurven der Länge (X_Fmax) und Breite (X_Mmin) faserförmiger Verunreinigungen

Partikel mit Kreisförmigkeitswerten unter 0,75 wurden ausgewählt und separat analysiert. Der maximale Feret-Durchmesser (X_Fmax) wurde zur Charakterisierung der Faserlänge verwendet, während der minimale Martin-Durchmesser (X_Mmin) zur Charakterisierung der Faserbreite diente. Gemeinsam ermöglichen diese Parameter eine quantitative Bewertung der potenziellen Auswirkungen faserförmiger Verunreinigungen auf die Beschichtung mit Elektrodensuspensionen und auf die Batterieleistung.

Tabelle 4. Statistische Kennwerte der Länge (X_Fmax) und Breite (X_Mmin) faserförmiger Verunreinigungen

Die Ergebnisse zeigen eine mediane Faserlänge (X_Fmax50) von 47,37 μm; 90 % der Fasern sind kürzer als 82,37 μm. Die mediane Faserbreite (X_Mmin50) beträgt 17,80 μm; 90 % der Fasern sind schmaler als 36,15 μm.

Die BeVision-Software unterstützt benutzerdefinierte Grenzwerte für Länge und Breite zur automatischen Erkennung und Quantifizierung von Fasern mit hohem Risikopotenzial. Darüber hinaus werden die Partikelbilder zur visuellen Überprüfung und Rückverfolgbarkeit gespeichert.

Dieser integrierte Arbeitsablauf verbindet quantitative Analyse, qualitative Beobachtung und die Aufbewahrung von Bildnachweisen. Er unterstützt die Entscheidung über Annahme oder Zurückweisung eingehender Materialien und erleichtert die Ursachenanalyse bei Verunreinigungen.

Fazit

Faserförmige Verunreinigungen im Anodengraphit von Lithium-Ionen-Batterien können die Verarbeitung der Elektrodensuspension, die Elektrodenqualität, die Batterieleistung und die Zellsicherheit erheblich beeinträchtigen. Aufgrund grundlegender Einschränkungen ihrer Messprinzipien können herkömmliche Verfahren wie die Laserbeugung Formabweichungen nicht wirksam erkennen oder quantifizieren, sodass kritische Lücken in der Qualitätskontrolle bestehen bleiben.

Ausgestattet mit der BV-H10 Hydro-Dispergiereinheit ermöglicht der BeVision D3 Pro zur dynamischen Bildanalyse von Partikelgröße und Partikelform eine umfassende Charakterisierung von Graphitanodenmaterialien. Dazu kombiniert er die Partikelgrößenmessung mit einer detaillierten Formanalyse faserförmiger Verunreinigungen.

Durch ein hochauflösendes Bildgebungssystem, fortschrittliche Funktionen, eine Partikelfilterfunktion und eine algorithmische Auswertung der Kreisförmigkeit ermöglicht der BeVision D3 Pro eine standardisierte Partikelklassifizierung. So lassen sich sphärische Graphitpartikel eindeutig von faserförmigen Verunreinigungen mit hohem Risikopotenzial unterscheiden.

Die BeVision-Software schließt Störeinflüsse durch Fremdpartikel aus und ermittelt eine genaue Partikelgrößenverteilung ausschließlich für die sphärische Graphitfraktion. Damit unterstützt sie die Optimierung der Sphäroidisierungs- und Klassierprozesse.

Indem der BeVision D3 Pro gleichzeitig volumengewichtete und anzahlgewichtete Statistiken der Verunreinigungen liefert, macht er verborgene Kontaminationsrisiken sichtbar, die bei herkömmlichen Verfahren zur Partikelgrößenbestimmung übersehen werden können.

Mit der Fähigkeit, innerhalb von zwei Minuten mehr als 100.000 Partikel zu analysieren, verbindet der BeVision D3 Pro einen hohen Durchsatz mit einer ausgezeichneten statistischen Repräsentativität. Damit eignet er sich sowohl für die Laborforschung als auch für Wareneingangsprüfungen mit hohem Probenaufkommen in der Batterieproduktion.

Über die Autorin

Echo Cao Applikationsingenieurin bei Bettersize Instruments