Kathodenvormaterialien

• Vormaterialien für Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA)
  NMC und NCA sind die am häufigsten verwendeten Kathodenmaterialien in der Industrie, insbesondere für Elektrofahrzeuge. Die Vorstufen für diese Materialien sind Mischhydroxide. Das für NCM wird als Ni_xCo_yMn_(1-x-y)(OH)₂ bezeichnet, das für NCA als Ni_xCo_yAl_(1-x-y)(OH)₂.
  
  
• Vormaterial für Lithium-Cobaltoxid (LCO)
  Die Verwendung von Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂) in elektronischen Mobilgeräten ist weit verbreitet. Das Vormaterial Cobaltoxid (Co₃O₄) wird mit Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid verarbeitet, um das endgültige Kathodenmaterial herzustellen. 
  
  
• Vormaterial für Lithium-Eisenphosphat (LFP)
  Das Vormaterial für Lithium-Eisenphosphat-Kathoden (LiFePO₄), die in Elektrofahrzeugbatterien verwendet werden, ist Eisenphosphat (FePO₄). 
  
  
• Vormaterial für Lithium-Mangan-Oxid (LMO)
  Manganoxid (Mn₃O₄) ist das Vormaterial für Lithium-Mangan-Oxid (LiMn₂O₄), das für seine hohe Leistungsfähigkeit und gute thermische Stabilität bekannt ist und häufig in Hybridfahrzeugen und Elektrowerkzeugen verwendet wird. 
  
  
• Stark nickelhaltige Vormaterialien
  Durch Bemühungen um höhere Energiedichte für Batterien gewinnen stark nickelhaltige Vormaterialien zunehmend an Bedeutung. Diese Vormaterialien, oft Ni(OH)₂ mit unterschiedlichen Mengen an Dotierstoffen, werden zur Herstellung von Kathodenmaterialien mit hohem Nickelgehalt verwendet. 

Die am häufigsten verwendete Methode zur Synthese von Kathodenvormaterialien ist die Kopräzipitation, bei der wässrige Lösungen der Metallsalze zu flüssigen Vormaterialien gemischt werden. Ein Präzipitationsmittel wie Natriumhydroxid (NaOH) oder Ammoniumhydroxid (NH₄OH) wird der Lösung beigefügt, wodurch die Metalle als Hydroxide ausfallen und sich am Boden absetzen. 

Die Kopräzipitation ist ein langsam ablaufender Prozess – von der Nukleierung über das Wachstum der Primärpartikel bis hin zur Agglomeration zu größeren Sekundärpartikeln. Je nach Prozesseffizienz kann der gesamte Prozess zwischen 20 und 40 Stunden dauern. 

Die Temperatur, der pH-Wert, die Konzentration und die Rührgeschwindigkeit der Lösung werden sorgfältig kontrolliert, um eine gleichmäßige Partikelgröße und Zusammensetzung des Präzipitats sicherzustellen. Das abgeschiedene Produkt ist in der Regel ein gemischtes Metallhydroxid oder -carbonat, wie z. B. NixCoyMn_(1-x-y)(OH)₂ bei NMC-Vormaterialien. Dieses Vormaterial wird dann mit LiOH gemischt und bei 900 ^oC kalziniert, um das endgültige Kathodenmaterial zu bilden. Der Prozess ist im Folgenden schematisch dargestellt.

Viele Parameter – einschließlich Pastenzusammensetzung, pH-Wert, Temperatur und Rührgeschwindigkeit – wirken sich auf die Effizienz der Kopräzipitation aus. Die Optimierung dieser Parameter spielt eine wichtige Rolle in Sachen Qualität und Durchsatz der Batteriekathodenvormaterialien. Um sie in Echtzeit zu überwachen und zu prüfen und so die Effizienz des Prozesses der Kopräzipitation zu verbessern, bieten wir eine Reihe von Analyselösungen. Darüber hinaus können Sie mit unseren Lösungen auch sicherstellen, dass Ihr Vormaterial die gewünschten Eigenschaften für die Weiterverarbeitung zum Kathodenaktivmaterial aufweist.

Die Qualität und der Durchsatz der Kathodenvormaterialien können durch Messung und Prüfung der folgenden Parameter optimiert werden:

• Partikelgröße
• Partikelform
• Chemische Zusammensetzung und Verunreinigungen
  
• Kristalline Phasenanalyse
  
• Zetapotenzial
  

Weitere Informationen zu allen Parametern finden Sie unten.

Vormaterialpartikel nukleieren, wachsen und agglomerieren dann, um größere Sekundärpartikel zu bilden. Um die höchste Produktionseffizienz zu gewährleisten, sollten diese Partikel in so kurzer Zeit wie möglich größer als ihre Zielgröße werden. Die Messung der Partikelgröße im Zeitverlauf ist daher eine wichtige Möglichkeit zur Feinabstimmung der Prozessparameter im Pastenreaktor.

Laserbeugung ist eine der besten Methoden zur genauen Messung der Partikelgrößenverteilung für die Prozess- und Qualitätskontrolle. Der Mastersizer 3000, dem Hersteller von Batteriezellen und Batteriematerialien weltweit vertrauen, ist zum De-facto-Standard für die Partikelgrößenanalyse geworden. 

Die Laserbeugungs-Partikelgrößenmessgeräte der Mastersizer-Produktpalette setzen den Maßstab für die schnelle und genaue Analyse von Partikelgrößenverteilungen für Nass- und Trockendispersionen. Und die Einführung des NEUEN Mastersizer 3000+ mit erweiterten Funktionen wie Size Sure und Data Quality Guidance ist ein weiterer Fortschritt.

Unser automatisiertes Partikelgrößenmessgerät Insitec ist ideal für diese Messungen in einer Produktionsumgebung und führt Echtzeitanalysen alle paar Sekunden durch. 

Mithilfe einer Rückkopplungsschleife können diese Informationen verwendet werden, um Parameter wie pH-Wert, Temperatur oder Rührgeschwindigkeit einzustellen. 

Darüber hinaus kann das Gerät Synergien mit intelligenten Fertigungsprozessabläufen gewährleisten. Diese führen zu hohen Erträgen: In der Regel kann eine Kathodenproduktionsstätte, die täglich 1000 kg Kathodenmaterial produziert, durch Analyse der Vormaterialpartikelgröße der Paste mit dem Insitec bis zu 200.000 US-Dollar pro Jahr einsparen.

Die Partikelform spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung stabiler Sekundärpartikel und kann den Vormaterialertrag (Klopfdichte) sowie die Qualität des Materials der fertigen Kathode erheblich beeinflussen. So ist es beispielsweise wahrscheinlicher, dass längliche Partikel aufbrechen und sich in einer Paste, die mit hoher Geschwindigkeit gerührt wird, wieder auflösen.

Um Herstellern die Analyse und Optimierung der Partikelform zu ermöglichen, kann unser Gerät für die optische Bildgebung Morphologi 4 mit seiner vollautomatischen Bildanalyse zur Messung von Parametern wie Kreisförmigkeit, Dehnung/Seitenverhältnis, kreisförmiger Äquivalentdurchmesser und Transparenz verwendet werden.

Um eine optimale chemische Zusammensetzung in den Materialien der fertigen Kathoden zu erzielen, muss diese zunächst auf Vormaterialebene kontrolliert werden. Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), anhand der die chemische Zusammensetzung und Verunreinigungen von nur wenigen ppm bis zu 100 % analysiert werden können, ist die beste Methode zur Analyse der chemischen Zusammensetzung.

Die RFA bietet eine einfachere und genauere Methode zur Messung der Elementzusammensetzung als die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, da keine Probenverdünnung und kein Säureaufschluss erforderlich sind. Viele führende Batteriehersteller verwenden unser Benchtop-EDRFA-Spektrometer Epsilon 4 oder unser WDRFA-Spektrometer Zetium zur Analyse der Zusammensetzung ihrer Vormaterialien und Kathodenmaterialien. 

Unser neues High-End-EDRFA-System Revontium ergänzt diese Lösungen. In Kombination mit unseren Batterie-Referenzstandards und Forj-/Egon 2-Fusionssystemen bieten wir zusammen mit unserem Fachwissen eine Komplettlösung, die die Genauigkeit und Präzision der ICP-Analyse erfüllt oder sogar übertrifft.

Zu den Online-Lösungen für die Analyse der Elementarzusammensetzung gehören Epsilon Xflow für Vormaterialien für Batterieflüssigkeit und Epsilon Xline zur Analyse der Elektrodenbeschichtung. 

Die kristalline Phase bezieht sich auf die Struktur von Materialien auf atomarer Ebene – der Ebene, auf der der Ionen- oder Elektronentransport erfolgt oder behindert wird. Die Zusammensetzung der kristallinen Phase des Vormaterials kann einen frühen Hinweis auf die Qualität des Materials der fertigen Kathode liefern. 

Zur genauen Analyse der Zusammensetzung der kristallinen Phase von Kathodenvormaterialien können Hersteller unser kompaktes Röntgendiffraktometer Aeris verwenden, ein einfach zu bedienendes Gerät mit hervorragender Datenqualität.

Die Präzipitation von Partikeln aus der Kathodenvormateriallösung beruht auf der Wechselwirkung von Primärpartikeln (50 bis 100 µm), aus der größere Sekundärpartikel (10 bis 20 µm) entstehen. Das Zetapotenzial kann zur Analyse und Anpassung von pH-Wert und Temperatur verwendet werden, um diese Wechselwirkung zu optimieren. 

Unser Zetasizer misst das Zetapotenzial akkurat und kann zudem Ihre F&E bei der Vormaterialsynthese unterstützen.