Možnosti práškového reometru při výrobě baterií

FT4 práškový reometr^® je víceúčelový přístroj, který lze použít v procesech výroby elektrod pro mokré i pevné Li-ion baterie. Poskytnutá komplexní analýza toku prášku může pomoci zlepšit účinnost baterie, optimalizovat hustotu uložení elektrod, vést k delší životnosti baterie a kontrolovat tvorbu aglomerátů a dispergovatelnost při mokrých procesech.

STANOVENÍ CHARAKTERU PRÁŠKU

Lithium-iontové (Li-ion) baterie jsou v současnosti nejpoužívanějším typem nabíjecích baterií a hrají klíčovou roli v trendu směrem k obnovitelným a udržitelným zdrojům elektrické energie. Díky vysoké hustotě energie, vysoké kapacitě a dlouhé životnosti našly uplatnění zejména v automobilovém průmyslu, skladování energie v rozvodné síti a spotřební elektronice a předpokládá se další růst jejich využití v nadcházejících letech. Obrázek 1 ukazuje typický výrobní proces Li-ion baterií. Aktivní materiály anody a katody se před potahováním, kalandrováním a sušením zpracují na hmotu. Tyto následné kroky jsou vysoce závislé na kvalitě suspenze produkované na začátku procesu. Vlastnosti hmoty jsou závislé na chování aktivního materiálu, pojiva a rozpouštědel během procesu míchání. Některé klíčové vlastnosti pro zajištění vysoké kapacity jsou jemnost prášku, viskozita a obsah pevných látek. Pro vysoce kvalitní finální produkt je rozhodující rovnoměrná disperze pevného obsahu (aktivních látek) s minimální aglomerací. Tato studie ukazuje, jak FT4 práškový reometr^® může určit klíčové vlastnosti materiálu elektrod baterie, což umožňuje definovat charakter prášku.

Obrázek 1 Typický výrobní proces Li-on baterií

STUDIE CHARAKTERIZACE KATODOVÉHO PRÁŠKU

Běžný katodový materiál používaný v automobilovém průmyslu je LiFePO₄ (LFP). I když chemické složení zůstane stejné, drobné odchylky ve fyzikálních vlastnostech šarží LFP mohou velmi ovlivnit výrobní výkon a kapacitu. V této studii bylo zjištěno, že dodávky LFP od tří různých dodavatelů se během výroby chovaly odlišně, což mělo za následek rozdíly v kvalitě a výtěžku produktu. Vzorky každé šarže byly analyzovány pomocí FT4 práškového reometru^®, aby se určilo, zda lze reologické vlastnosti použít ke specifikaci optimálních surovin. Dvě reologické vlastnosti, které mohou ovlivnit, jak se prášek bude mísit a dispergovat, jsou specifická energie a permeabilita (propustnost).

• Specifická energie (SE) kvantifikuje potřebnou mechanickou sílu proti průchodu měřícího rotoru (patentované míchadlo) a tření mezi částicemi. Nižší hodnoty jsou obvykle spojeny s pravidelnějšími kulovitými částicemi.
• Permeabilita popisuje schopnost prášku propouštět nebo zadržovat proudící vzduch při působení normálového napětí na vzorek, které se projeví poklesem tlaku. Vyšší hodnota poklesu tlaku znamená sníženou permeabilitu (propustnost).

Obrázek 2 ukazuje hodnoty SE pro tři šarže. Nižší hodnota pro dávku 1 znamená snížené mechanické blokování a tření mezi částicemi. To naznačuje, že částice jsou méně náchylné k aglomeraci a mohou se dispergovat více rovnoměrně. Výrobní zkušenosti ukázaly, že šarže 1 skutečně produkovala homogennější hmotu, což vedlo k výrobě elektrod s vyšším výtěžkem. Šarže 2 a 3 generovaly vyšší hodnoty SE a ve výrobě vykazovaly nekonzistentní výkon, včetně zablokování, které vedlo k odstavení procesního systému a produkty nesplňovaly dané parametry. 

Obrázek 2 Hodnoty SE pro tři šarže

Obrázek 3 ukazuje křivky permeability pro tyto tři materiály, uváděné jako pokles tlaku v závislosti na normálovém napětí. Šarže 1 má nejvyšší hodnotu poklesu tlaku, což naznačuje sníženou propustnost. Vyšší tlaková ztráta je v důsledku kompaktního práškového lože, které brání proudění vzduchu. To je obvykle spojeno s materiály, které se snadno sypou a efektivně distribuují, což můžeme vidět jako vzájemnou souvislost výsledné korelace s výtěžností procesu a hodnotami SE. 

Obrázek 3 Křivky permeability pro měřené materiály, uváděné jako pokles tlaku v závislosti na normálovém napětí

Obrázek 4 FT4 práškový reometr^®

ZÁVĚR

Výsledky ukazují, že méně propustné prášky s nízkým stupněm mechanického vzájemného blokování a tření částic jsou vhodnější pro proces výroby suspenze, což vede k lepšímu výtěžku. FT4 práškový reometr^® je víceúčelový přístroj, který umožňuje identifikovat a přesně kvantifikovat relevantní vlastnosti a definovat charakter prášku v komplexním měřítku.