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Batterienproduktion - Überwachen der Dichte und Viskosität von Beschichtungspaste in Misch- und Beschichtungslinien

Batterie-Anwendungen-Slurry-Viskosität-Überwachung

Einführung

Lithiumbatterien sorgen dafür, dass sowohl das wesentliche als auch der Komfort des modernen Lebens sicher und zuverlässig funktionieren. Sie verfügen über eine lange Liste von Anwendungen in der Praxis - Verbraucherelektronik, Elektrofahrzeuge, Solarenergiespeicher, USV, Alarmsysteme an entfernten Standorten, Mobilitätsgeräte und tragbare Netzteile. Derzeit steht diese Batterietechnologie vor der Revolution im Straßenverkehr und in der Energiespeicherung erneuerbarer Energien. Batterieleistung und -lebensdauer stellen einen Engpass für Elektrofahrzeuge sowie stationäre Speichersysteme für elektrische Energie dar, die den Markt durchdringen sollen. Eines ist bereits vollkommen klar: Die Prozesse während des gesamten Batterieherstellungsvorgangs müssen optimiert werden, um Zieleigenschaften zu erreichen und die Qualität aufrechtzuerhalten.

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Anwendung

Der erste Schritt beim Zusammenbau der Zelle ist die Abscheidung einer Suspension, die das aktive Material, das leitende Material und das polymere Bindemittel enthält, in einem Lösungsmittel auf einem Kupferfilm oder einem Aluminiumfilm (Aufschlämmungsherstellung und Beschichtung). Anschließend werden die Elektroden getrocknet, kalandriert und dimensioniert. Um die gewünschte elektrochemische Leistung zu erzielen, muss der mehrstufige Herstellungsprozess von Batterieelektroden genau gesteuert werden. Aufschlämmungen sind ein sehr komplexes Suspensionssystem, das einen hohen Prozentsatz an festen Partikeln verschiedener Chemikalien, Größen und Formen in einem hochviskosen Medium enthält. Ein gründliches Mischen der Aufschlämmung ist für die Homogenität wesentlich. Die rheologischen Eigenschaften von Aufschlämmungen beeinflussen wichtige Eigenschaften: Stabilität der Aufschlämmung, leichte Mischbarkeit und Beschichtungsleistung, die sich auf die fertigen Elektroden auswirken. Zusammensetzung und angewandte Verarbeitungsbedingungen können sich auf die Rheologie der resultierenden Suspension auswirken. Dichte und Viskosität quantifizieren die Fließeigenschaften und charakterisieren den Strukturgrad innerhalb der Probe und das Ausmaß, in dem fest- oder flüssigkeitsähnliches Verhalten dominiert. Bei der Elektrodenherstellung ist die Viskosität der Bestandteile im Prozess besonders wichtig und spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Batterien wie der Beschichtung. Die Viskosität der polymeren Bindemittellösung beeinflusst die Beschichtungsleistung. Es beeinflusst die Leichtigkeit, mit der die Pulver darin dispergiert werden, die zum Mischen erforderliche Leistung und die Geschwindigkeit des Aufbringens einer gleichmäßigen Beschichtung. Die Theorie der porösen Elektroden (PET) legt die Relevanz der positiven Elektrodendichte für die Gesamtleistung von Lithium-Ionen-Batteriezellen nahe, die durch Experimente validiert wurde. Zellen mit hoher positiver Elektrodendichte zeigen bei niedrigen Stromraten eine etwas höhere Entladungskapazität, bei hohen Stromraten zeigen Zellen mit niedriger positiver Elektrodendichte eine bessere Leistung.

Schritte im Batterieherstellungsprozess

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Problem Statement

Die Dispersion von Aufschlämmungsbestandteilen und ihre Zustände, die die physikalischen Eigenschaften von Aufschlämmungen bestimmen, sind entscheidend für das Design und die Entwicklung von Misch- und Beschichtungsprozessen zur Herstellung von Lithiumionenbatterien.

  • Herkömmliche Herstellungsverfahren für Lithium-Ionen-Batterie (LIB) -Elektrodenaufschlämmungen basieren auf diskontinuierlichen oder quasi kontinuierlichen Prozessen.
  • Der kontinuierliche Mischprozess besteht aus der kontrollierten Dosierung aller flüssigen und festen Komponenten und der Mikroverteilung der festen Partikel in der flüssigen Phase.

Die empfindliche Chemie der Zellen bedeutet, dass Zeit- und Kosteneinsparungen nicht zu Lasten der Qualität gehen können, die sehr hoch bleiben muss. Die Kontrolle der Dichte und Viskosität zur Optimierung der Chargenprozesse gewährleistet Konsistenz, Qualität und erhebliche Einsparungen bei den Materialkosten. Die Prozesskontrolle und Rückverfolgbarkeit des kontinuierlichen Mischprozesses kann durch Inline-Überwachung und Kontrolle von Dichte und Viskosität verbessert werden. Die durch Inline-Integration unterstützte Automatisierung ermöglicht die Optimierung aller Prozesse in den Produktionslinien, um die Batterieherstellung zu beschleunigen und den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden.

Herausforderungen beim Prozess

Überwachung und Steuerung wichtiger Parameter der Elektrodenaufschlämmung - Dichte und Viskosität sind für die Entwicklung und Herstellung von Hochleistungselektroden und deren Herstellung äußerst relevant. Hauptgründe:

  • Während des Mischens der Aufschlämmung (Step-1) verschlechtert sich das nicht benötigte Rühren und baut die inneren Strukturen mit der Zeit ab. Ziel ist es, eine Durchmischung der Inhaltsstoffe bei maximaler Homogenität und ohne Partikelzerfall zu erreichen. Die Dichtekontrolle sorgt für die richtige Zusammensetzung des Materials und der Bestandteile, und die Viskositätskontrolle sorgt für die Konsistenz des Aufschlämmungsvorbereitungsprozesses.
  • Eine hochviskose Aufschlämmung verursacht Probleme beim Beschichtungsprozess (Step-2) und eine schlechte Dispergierbarkeit führt zu einer geringen Filmgleichmäßigkeit. Die Gleichmäßigkeit der Beschichtungsdicke und der Schichtdichte ist entscheidend, um die Kontrolle über die Lebensdauer (Wiederaufladezykluszeit) und die Ionentransferrate der Batterie zu gewährleisten, während die Regulierung der Schichtdicke die Schaffung einer kleineren Batterie ermöglicht. Die Kontrolle der Viskosität ist wichtig, um eine homogene Schichtdicke und minimale Abweichungen der Schichtdicke zu erzielen.
  • Eine höhere Viskosität der Batterieschlämme erhöht die Sedimentationsbeständigkeit beim Stehenlassen und liefert beim Beschichten einen dickeren Elektrodenfilm. Die höhere Viskosität kann auch die Steuerung des Beschichtungsprozesses erschweren, was möglicherweise zu einer unregelmäßigen Beschichtung und variablen Schichtdichte führt, was wiederum eine variable Ionentransferrate und damit eine unvorhersehbare Batterielebensdauer (und unvorhersehbare Wiederaufladezykluszeit) zur Folge hat.
  • Die Elektrodendichte wirkt sich auf die Zyklusleistung und den irreversiblen Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Batterien aus. Sie muss in geeigneten Bereichen überwacht und gesteuert werden, je nach den Anforderungen im Kalenderprozess (Step-3).

Rheonics 'Satz

Die automatisierte In-Line-Viskositätsmessung und -regelung ist entscheidend für die Kontrolle der Parameter der Elektrodenaufschlämmung in den Phasen der Aufschlämmungsvorbereitung sowie Beschichtung und Trocknung des Batterieherstellungsprozesses, während die Elektrodendichte in der Kalandrierphase genau überwacht werden muss, um eine bessere Batterieleistung zu erzielen. Rheonics bietet folgende Lösungen zur Prozesskontrolle und -optimierung im mehrstufigen Batterieherstellungsprozess an:

  1. In-line Viskosität Messungen: Rheonics SRV ist ein Inline-Viskositätsmessgerät mit großem Messbereich und eingebauter Flüssigkeitstemperaturmessung. Es kann Viskositätsänderungen in jedem Prozessstrom in Echtzeit erfassen.
  2. In-line Viskosität und Dichte Messungen: Rheonics 'SRD ist ein In-Line-Instrument zur gleichzeitigen Messung von Dichte und Viskosität mit eingebauter Flüssigkeitstemperaturmessung. Wenn die Dichtemessung für Ihren Betrieb wichtig ist, ist der SRD der beste Sensor, um Ihren Anforderungen gerecht zu werden. Er bietet ähnliche Betriebsfunktionen wie der SRV sowie genaue Dichtemessungen.

Rheonics 'Vorteil

Kompakter Formfaktor

Rheonics SRV und SRD haben einen sehr kleinen Formfaktor für die einfache OEM- und Nachrüstinstallation. Es ermöglicht die problemlose Integration in jeden Prozessstrom.

 

Kein Druckabfall die Prozesslinie

Das SRV und das SRD von Rheonics verursachen einen unbedeutenden Druckabfall in der Prozesslinie. Die Viskositäts- und Dichtemessungen sind sowohl in Newtonschen als auch in nicht-Newtonschen, einphasigen und mehrphasigen Flüssigkeiten äußerst genau und hochgradig wiederholbar.

 

Unempfindlich gegen Einbaubedingungen: Beliebige Konfiguration möglich

Rheonics SRV und SRD verwenden einen einzigartigen patentierten Koaxialresonator, bei dem sich zwei Enden der Sensoren in entgegengesetzte Richtungen verdrehen, wodurch Reaktionsmomente bei ihrer Montage aufgehoben werden und sie daher völlig unempfindlich gegenüber Montagebedingungen sind.

 

Genaue, schnelle und zuverlässige Messungen

Ausgefeilte, patentierte Elektronik der 3rd-Generation steuert diese Sensoren und wertet ihre Reaktion aus. Ultraschnelle und robuste Elektronik in Kombination mit umfassenden Rechenmodellen machen Rheonics-Geräte zu den schnellsten und genauesten der Branche. SRV und SRD liefern sekundengenau Echtzeitmessungen der Viskosität (und Dichte mit SRD) und werden von Schwankungen der Durchflussrate nicht beeinflusst!

 

Überlegenes Sensordesign und Technologie

Die SRD und SRV von Rheonics haben einen sehr kleinen Formfaktor für eine einfache OEM- und Nachrüstinstallation. Es ermöglicht die problemlose Integration in jeden Prozessstrom. Sie sind leicht zu reinigen, erfordern keine Wartung oder Neukonfiguration und sind perfekt mit industriellen Kommunikationssystemen kompatibel. Beide Sensoren sind mit Industriestandard-Prozessanschlüssen wie ¾ ”NPT und 1” Tri-Clamp erhältlich, mit denen der Bediener einen vorhandenen Temperatursensor in seiner Prozesslinie durch SRV oder SRD ersetzen kann, was neben einer genauen Angabe der Dichte und Viskosität auch wertvolle und verwertbare Prozessflüssigkeitsinformationen liefert Temperaturmessung mit eingebautem Pt1000 (DIN EN 60751 Klasse AA, A, B verfügbar).

 

SRD: Einzelinstrument, dreifache Funktion

Rheonics SRD ist ein einzigartiges Produkt, das drei verschiedene Instrumente für Viskositäts-, Dichte- und Temperaturmessungen ersetzt. Es beseitigt die Schwierigkeit, drei verschiedene Instrumente gleichzeitig zu lokalisieren, und liefert äußerst genaue und wiederholbare Messungen unter härtesten Bedingungen.

 

Elektronik, die auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten ist

Die Sensorelektronik ist sowohl in einem explosionsgeschützten Messumformergehäuse als auch in einer Hutschienenmontage mit kleinem Formfaktor erhältlich und ermöglicht eine einfache Integration in Prozessrohrleitungen und in den inneren Geräteschränken von Maschinen.

 

Einfache Integration

Mehrere in der Sensorelektronik implementierte analoge und digitale Kommunikationsmethoden machen den Anschluss an industrielle SPS- und Steuerungssysteme einfach und unkompliziert.

 

ATEX & IECEx Compliance

Rheonics bietet eigensichere Sensoren an, die von ATEX und IECEx für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zertifiziert sind. Diese Sensoren erfüllen die grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen in Bezug auf die Konstruktion und den Bau von Geräten und Schutzsystemen, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen vorgesehen sind.

Die eigensicheren und explosionsgeschützten Zertifizierungen von Rheonics ermöglichen auch die Anpassung eines vorhandenen Sensors, sodass unsere Kunden Zeit und Kosten sparen können, die mit der Identifizierung und Prüfung einer Alternative verbunden sind. Benutzerdefinierte Sensoren können für Anwendungen bereitgestellt werden, für die eine Einheit bis zu Tausenden von Einheiten erforderlich sind. mit Vorlaufzeiten von Wochen gegenüber Monaten.

Rheonics SRV & SRD sind sowohl ATEX als auch IECEx zertifiziert.

ATEX (2014 / 34 / EU) zertifiziert

Die ATEX-zertifizierten eigensicheren Sensoren von Rheonics entsprechen der ATEX-Richtlinie 2014/34 / EU und sind für die innere Sicherheit nach Ex ia zertifiziert. Die ATEX-Richtlinie legt Mindest- und Grundanforderungen in Bezug auf Gesundheit und Sicherheit zum Schutz von Arbeitnehmern fest, die in gefährlichen Atmosphären beschäftigt sind.

Die ATEX-zertifizierten Sensoren von Rheonics sind für den Einsatz in Europa und international anerkannt. Alle ATEX-zertifizierten Teile sind mit „CE“ gekennzeichnet, um die Konformität anzuzeigen.

IECEx-zertifiziert

Die eigensicheren Sensoren von Rheonics sind von IECEx, der International Electrotechnical Commission, für die Zertifizierung nach Standards für Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen zertifiziert.

Dies ist eine internationale Zertifizierung, die die Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen gewährleistet. Rheonics-Sensoren sind für die Eigensicherheit nach Ex i zertifiziert.

Implementierung

Installieren Sie den Sensor direkt in Ihrem Prozessstrom, um Viskositäts- und Dichtemessungen in Echtzeit durchzuführen. Es ist keine Bypass-Leitung erforderlich: Der Sensor kann in die Leitung eingetaucht werden, Durchflussrate und Vibrationen beeinträchtigen die Messstabilität und -genauigkeit nicht. Optimieren Sie die Mischleistung durch wiederholte, aufeinanderfolgende und konsistente Tests der Flüssigkeit.

Integration der Rheonics-Lösung in den Elektrodenherstellungsprozess

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Vorgeschlagene Produkte für die Anwendung

• Breiter Viskositätsbereich - Überwachen Sie den gesamten Prozess
• Wiederholbare Messungen in newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten, einphasigen und mehrphasigen Flüssigkeiten
• Ganzmetallkonstruktion (316L Edelstahl)
• Eingebaute Flüssigkeitstemperaturmessung
• Kompakter Formfaktor für die einfache Installation in vorhandenen Prozesslinien
• Einfach zu reinigen, keine Wartung oder Neukonfiguration erforderlich

• Einzelinstrument zur Messung von Prozessdichte, Viskosität und Temperatur
• Wiederholbare Messungen in newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten, einphasigen und mehrphasigen Flüssigkeiten
• Ganzmetallkonstruktion (316L Edelstahl)
• Eingebaute Flüssigkeitstemperaturmessung
• Kompakter Formfaktor für die einfache Installation in vorhandenen Rohren
• Einfach zu reinigen, keine Wartung oder Neukonfiguration erforderlich

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