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Stabilitätsanalyse von Elektroden-Slurries auf Basis der statischen multiplen Lichtstreuung

2025-03-07Application Note

Die Stabilität von Elektroden-Slurries wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Dazu gehören die Zusammensetzung und die Anteile der Inhaltsstoffe, die Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung des Aktivmaterials, die Viskosität des Mediums sowie die Mischprozesse. Eine optimierte Rezeptur stellt sicher, dass sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften der Elektrodensuspension gewährleistet sind.
Für diese Untersuchung wurden zwei Slurries mit dem BeScan Lab sowohl qualitativ als auch quantitativ analysiert. Darüber hinaus kann das BeScan Lab auch zur Charakterisierung der Oberfläche von Elektrodenfolien eingesetzt werden.

Produkt	BeScan Lab
Industrie	Batterie- und Energietechnik
Probe	Elektroden-Slurries
Messgröße	Stabilität
Messtechnik	Statische Mehrfachlichtstreuung (SMLS)

Einleitung

Das rasante Wachstum der neuen Energiewirtschaft hat die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien erhöht. Herkömmliche Batterien, wie Lithium-Eisenphosphat- und ternäre Lithiumbatterien, werden unter Verwendung von Elektrodenslurries hergestellt, bei denen das positive oder negative aktive Material typischerweise mit Bindemitteln, Additiven und Lösungsmitteln gemischt wird. Instabile Elektrodenslurries können zu unerwünschten Phänomenen wie Flockung und Sedimentation der Partikel des aktiven Materials führen, was sich erheblich auf die nachfolgenden Beschichtungs- und Kalanderprozesse sowie auf die Gesamtleistung der Batterie auswirkt. Die Stabilität von Elektrodenslurries wird durch Faktoren wie die Zusammensetzung und den prozentualen Anteil der Inhaltsstoffe, die Partikelgröße der aktiven Materialien und deren Größenverteilung , die Viskosität des Mediums und die Mischprozesse beeinflusst. Eine optimale Formel kann die mechanischen und leitfähigen Eigenschaften der Elektrodenslurries gewährleisten.

Figure 1-Manufacturing of electrode sheet

Abbildung 1. Herstellung von Elektrodenfolien

Stabilitätsanalyse mit dem BeScan Lab

Das BeScan Lab nutzt die Technik der statischen Mehrfachlichtsteuung (SMLS), um kleinste Veränderungen der transmittierten und rückgestreuten Lichtsignale entlang der vertikalen Probenachse zu erfassen. Dabei wird die Probe mit einer 850-nm-LED-Lichtquelle alle 20 µm entlang der Probenhöhe gescannt.
Die Scans werden gemäß einer benutzerdefinierten SOP wiederholt, um die Systemstabilität über Zeit oder Temperatur hinweg zu charakterisieren. Phänomene der Instabilität in Slurries können so qualitativ identifiziert und quantitativ über den Instabilitätsindex (IUS) bewertet werden.

Abbildung 2. Messprinzip des BeScan Lab

Messverfahren

Zwei hochviskose Elektroden-Slurries wurden mit dem BeScan Lab untersucht. Jeweils 20 mL der Suspension wurden mittels Pipette in die Probenzelle überführt und bei 30 °C alle 60 Minuten gescannt. Insgesamt wurden 90 Scans durchgeführt. Die Analyse von Elektroden-Slurries ist aufgrund ihrer sehr hohen Viskosität zeitaufwendig, da diese die Bewegung der suspendierten Partikel stark verlangsamt. Entsprechend erfordert die Erkennung von Destabilisierung mehr Zeit. Das „One-to-many“-System des BeScan Lab ermöglicht jedoch die gleichzeitige Messung mehrerer Slurry-Proben über eine einzige Benutzeroberfläche, wodurch Messzeit eingespart und die Flexibilität erhöht wird.

Figure 3-One-to-many system of the BeScan Lab

Abbildung 3. „One-to-many“-System des BeScan Lab

Ergebnisse und Diskussion

1. Rückstreusignal

Aufgrund der schwarzen Färbung der Elektroden-Slurries sind transmittierte Signale schwer detektierbar. Daher werden für die Stabilitätsanalyse Rückstreusignale verwendet. Zu Beginn ist die Probe homogen, sodass kaum Intensitätsunterschiede entlang der Höhe auftreten. Zur Verdeutlichung zeitlicher Veränderungen werden Delta-Rückstreusignale dargestellt, die die Intensitätsänderung an jeder vertikalen Position über die Anzahl der Scans hinweg zeigen.

Figure-4-Delta-backscattered-signals-of-slurry-1-and-2

Abbildung 4. Delta-Rückstreusignale von Slurry #1 und #2

Blau repräsentiert den ersten Scan, Rot den letzten. Der erste Scan dient als Referenz zur Verfolgung instabiler Phänomene.

Ein deutlicher Anstieg des Rückstreusignals im mittleren Bereich von Slurry #1 deutet auf mögliche Flockenbildung des Aktivmaterials hin. Bei Slurry #2 wurden keine signifikanten Veränderungen beobachtet.

2. Partikelgröße

Die Partikelgrößen der Aktivmaterialien in Slurry #1 und #2 wurden mit dem Bettersizer 2600 gemessen, um den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Stabilität zu untersuchen.

Particle-size-measurements-of-slurry-sample1-and-2

Sample	Dx	Size(μm)
Slurry #1	D10	6.939
	D50	17.97
	D90	36.80
Slurry #2	D10	3.068
	D50	5.798
	D90	10.81

Abbildung 5. Partikelgrößenanalyse von Slurry #1 und #2

Slurry #2 weist kleinere Partikelgrößen und eine engere Größenverteilung auf (erkennbar am Verhältnis D10/D90).

Kleinere Partikel mit enger Größenverteilung lassen sich leichter homogen mischen und besitzen eine geringere Sedimentationstendenz. Breite Größenverteilungen begünstigen dagegen Entmischung und Inhomogenität.

3. Uniformität

Die Uniformität ist ein Parameter, der beschreibt, ob die suspendierten Stoffe in einer Probe gleichmäßig verteilt sind, und wird anhand der Standardabweichung (SD) der Intensität des rückgestreuten Signals innerhalb eines bestimmten Bereichs berechnet. Je kleiner die Uniformität ist, desto gleichmäßiger sind die suspendierten Stoffe verteilt. Die Berechnungsformel lautet:

calculation formula

Sample	Slurry #1	Slurry #2
Uniformity	5.79	5.47

Tabelle 1. Uniformität von Slurry #1 und #2

Die Uniformität von Slurry #2 ist geringer als die von Slurry #1, was eine bessere Verteilungsuniformität der suspendierten Stoffe in Slurry #2 zeigt. Wenn Bindemittel und Additive gleichmäßig unter den aktiven Materialien verteilt sind, verringert sich die Möglichkeit der Partikelflockung und dies wirkt sich positiv auf die nachfolgenden Beschichtungs- und Kalandrierprozesse aus, was letztlich die endgültige Leistungsfähigkeit der Batterie verbessert.

Die Uniformität wird durch Faktoren wie die Zusammensetzung, die Partikelgrößenverteilung und den Rührvorgang beeinflusst. Eine ungeeignete Zusammensetzung kann zu einem unausgewogenen Verhältnis der Bestandteile führen, was Instabilität zur Folge hat. Beispielsweise kann ein Mangel an Bindemitteln zur Flockung und Sedimentation von Schwebeteilchen führen, während grobe Partikel sich absetzen können, was zu strukturellen Defekten wie Rissen nach dem Beschichten führt. Auch die Leistung, Dauer und Intensität des Rührvorgangs beeinflussen die Gleichmäßigkeit.

4. Instabilitätsindex (I_US)

Bei der Berechnung des Instabilitätsindex (IUS) werden alle Schwankungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scans berücksichtigt. Je größer die Schwankungen in der Signalintensität sind, desto höher ist der IUS, was auf ein weniger stabiles System hinweist. Jeder einzelne Scan erzeugt einen IUS. Die sich im Laufe der Zeit verändernden Kurven des IUS für die beiden Slurries sind in Abb. 6 dargestellt, um den Vergleich zu erleichtern und ihre Langzeitstabilität vorherzusagen.

Figure-6-Changing-curves-of-IUS-over-time-of-slurry-sample-1and-2. Abbildung 6. Zeitlicher Verlauf des IUS für Slurry #1 und #2

Anfangs ist der IUS von Slurry #2 größer als der von Slurry #1. Anschließend übersteigt der IUS von Slurry #1 den von Slurry #2 und steigt weiter an, während der IUS von Slurry #2 im Laufe der Zeit nur einen leichten Anstieg zeigt. Basierend auf den Trends in den sich verändernden Kurven wird Slurry #1 langfristig wahrscheinlich instabil werden.

5. Oberflächencharakterisierung

Eine spezielle Anwendung für Elektrodenfolien kann mit dem BeScan Lab durchgeführt werden, bei dem eine Elektrodenfolie in die Probenzelle eingebettet und fest an der Innenwand der Probenzelle befestigt wird. Die Elektrodenfolie wird mit einer LED beleuchtet und die mit der Oberfläche der Elektrodenfolie verbundenen Rückstreusignale werden aufgezeichnet. Die Intensität des Rückstreusignals wird zur Charakterisierung der Oberfläche verwendet, um die Qualität der Beschichtungs- und Kalanderprozesse zu bewerten.

Wenn die Signale entlang der Probenhöhe gleichmäßig sind, bedeutet dies, dass der Beschichtungsprozess eine gleichmäßige Verteilung der Elektrodenmasse auf der Metallfolie gewährleistet. Wenn deutliche Schwankungen im Signal auftreten, ist die Oberflächenqualität aufgrund einer ungleichmäßigen Beschichtung mit der Elektrodenmasse, Rissbildung in der Elektrodenschicht oder unzureichendem Rühren der Elektrodenmasse nicht optimal.

Zur Oberflächencharakterisierung wurden Coring-Zellen verwendet. Coring-Zellen eignen sich für hochviskose Proben oder Schaum, da sie an der Unterseite eine Öffnung haben, die das Einfüllen von Proben mit schlechtem Meniskus erleichtert. In diesem Fall wurden Elektrodenfolien aufgerollt und von unten in die Coring-Zellen eingeführt.

Figure-7-Measurement-of-electrode-sheet

Abbildung 7. Messung der Elektrodenfolie

Während dieser Messung wurden die Elektrodenfolien aus Slurry #1 und Slurry #2 mit dem BeScan Lab gemessen. Der Scan wurde dreimal wiederholt. Zur Analyse wurden rückgestreute Signale verwendet. Die Messergebnisse sind unten aufgeführt.

Tabelle 2. Uniformität der aus Slurry #1 und Slurry #2 hergestellten Elektrodenfolien

Sample	Uniformity	Average
Slurry #1	0.41	0.41
	0.41
	0.43
Slurry #2	0.29	0.29
	0.28
	0.29

Die Uniformität wird zur Beurteilung der Ebenheit der Elektrodenfolienoberfläche herangezogen. Ein kleinerer Uniformitätswert weist auf eine ebenere Oberfläche hin. Die Uniformität von Slurry #2 ist geringer als die von Slurry #1, obwohl der Unterschied gering ist, was auf eine bessere Qualität der aus Slurry #2 hergestellten Elektrodenfolie hindeutet. Da im Laufe der Zeit keine signifikanten Veränderungen des Rückstreusignals beobachtet werden, kann davon ausgegangen werden, dass keine Risse oder Ausbeulungen auf der Oberfläche vorhanden sind.

Fazit

Bei dieser Messung wurden zwei Slurries mit dem BeScan Lab sowohl qualitativ als auch quantitativ analysiert. Bei der Analyse der Delta-Rückstreusignale wurden in Slurry #1 instabile Phänomene beobachtet. Die quantitative Analyse unter Verwendung des Instabilitätsindex (IUS) zeigt, dass Slurry #2 stabiler ist, da der IUS von Slurry #1 nach der Anfangsphase stark ansteigt. Die Ergebnisse lassen sich auf die geringe mittlere Partikelgröße, die enge Partikelgrößenverteilung und die geringe Uniformität von Slurry #2 zurückführen. Darüber hinaus kann das BeScan Lab auch zur Charakterisierung der Oberfläche von Elektrodenfolien verwendet werden. Die Qualität der aus Slurry #2 hergestellten Elektrodenfolie ist aufgrund ihrer geringeren Uniformität und der damit verbundenen flacheren Oberfläche überlegen.