Überwachung der Batterieschlammproduktion mit Inline-Viskosimetern und Dichtemessgeräten

Inhaltsverzeichnis

• 1. Einleitung
• 2. Überblick über die Batterieproduktion
• 2.1 Batterieschlamm- und Elektrodenherstellung
• 2.2 Bedeutung der Prozessparameterkontrolle
• 3. Rheonics Inline-Sensoren
• 3.1 Empfohlene Sensorplatzierungen
• 3.2 Korrelation mit Labormessungen
• 3.3 Interpretation der Mischdaten
• 4. Referenzen

Batterien spielen im modernen Leben eine zentrale Rolle – sie versorgen Smartphones, Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energiesysteme mit Energie. Mit der steigenden Nachfrage nach Batterien wird der Bedarf an hochwertigen, effizienten und sicheren Produktionsmethoden immer wichtiger. Einer der wichtigsten Schritte bei der Batterieherstellung ist die Sicherstellung einer konsistenten und präzisen Zusammensetzung der Anoden- und Kathodensuspension.

Schon kleine Abweichungen in den Eigenschaften der Suspension können zu Defekten führen, die die Leistung mindern, die Lebensdauer der Batterie verkürzen und die Umweltbelastung erhöhen. Die Überwachung von Viskosität und Dichte während der gesamten Produktion – insbesondere bei der Elektrodenherstellung – verbessert die Qualität des Endprodukts und die Produktionseffizienz erheblich.

Die Batterieproduktion gliedert sich typischerweise in drei Hauptphasen:

1. Elektrodenherstellung (Mischen, Beschichten, Trocknen, Kalandrieren, Schneiden, Vakuumtrocknen)
2. Zellmontage (Stapeln, Verpacken, Elektrolytbefüllung)
3. Zellveredelung (Umformen, Entgasen, Altern, Prüfen)

Jede Phase umfasst mehrere Einzelvorgänge, doch bei der Elektrodenherstellung muss bereits frühzeitig eine gleichbleibende Qualität sichergestellt werden. Batteriezellen werden aus Stapeln beschichteter Elektrodenfolien hergestellt. Die Leistung der gesamten Zelle hängt also von der Qualität jeder einzelnen Folie ab.

Der Prozess beginnt mit der Herstellung des Batterieschlamms, einer Mischung aus Aktivmaterial, Bindemitteln, leitfähigen Additiven und Lösungsmitteln. Kathoden- und Anodenschlamm unterscheiden sich in der Zusammensetzung, erfordern aber beide Homogenität und Stabilität.

Das Mischen der Suspension erfolgt in großen Behältern, wobei Variablen wie Temperatur, Mischgeschwindigkeit, Schaufeldesign und atmosphärische Bedingungen die endgültige Qualität beeinflussen. Nach dem Mischen wird die Suspension (über Rohrleitungen oder geschlossene Tanks) zur Beschichtungsstation transportiert, wo sie auf Metallfolien aufgetragen, getrocknet und zu Elektrodenfolien verarbeitet wird.

Zu den wichtigsten Faktoren, die die Güllequalität bestimmen, zählen laut dem Bericht der RWTH Aachen [1]:

• Homogenität
• Partikelgröße
• Purity
• Viskosität

Die Einhaltung dieser Parameter innerhalb enger Toleranzen ist für die Herstellung gleichmäßiger Hochleistungsbatterien von entscheidender Bedeutung. Rheonics Inline-Sensoren ermöglichen dies durch die Bereitstellung kontinuierliche Viskositäts- und Dichteüberwachung in Echtzeit– wodurch Verzögerungen durch Offline-Probenahme vermieden und sofortige Korrekturmaßnahmen ermöglicht werden.

Rheonics bietet zwei fortschrittliche Inline-Sensortypen, die auf Batterieschlamm- und Elektrolytanwendungen zugeschnitten sind:

• SRV-Sensor – Misst Viskosität und Temperatur
• SRD-Sensor – Misst Viskosität, Dichte und Temperatur gleichzeitig

Beide Sensoren sind für anspruchsvolle Industriebedingungen ausgelegt und liefern präzise, zuverlässige Messungen direkt in der Prozessleitung oder im Tank.

Vorteile:

• Kontinuierliche Inline-Überwachung
• Keine Neukalibrierung erforderlich
• Weniger Abfall durch Reduzierung von Verzögerungen bei der Probenahme
• Hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit
• Ermöglichen Sie eine vollständige Prozessautomatisierung

Rheonics Sensoren können in mehreren Schlüsselphasen des Batterieschlamm- und Beschichtungsprozesses installiert werden:

• Eingehende Rohstoffe: Überprüfen Sie die Viskosität oder Dichte, bevor Sie mit der Produktion beginnen.
• Mischbehälter: Installieren Sie SRV im Mischer zur Echtzeit-Viskositätsverfolgung. Hilft, Homogenität, Formulierungsfehler oder Verunreinigungen frühzeitig zu erkennen.
• Lager- und Versorgungstanks: Verwenden Sie SRD in Umwälzleitungen, um Sedimentation zu verhindern und eine stabile Schlammzusammensetzung sicherzustellen.
• Beschichtungsprozess: SRV sorgt für einen gleichmäßigen Schlammfluss und eine gleichmäßige Beschichtungsdicke, was sich direkt auf die Batteriequalität auswirkt.
• Zellfüllung: Sowohl SRV als auch SRD können die Elektrolytflusseigenschaften überwachen, um eine ordnungsgemäße Benetzung und Aktivierung während der Zellmontage sicherzustellen.

Rheonics Sensoren, die in einer nicht-newtonschen Flüssigkeit wie Batterieschlamm arbeiten, liefern höchstwahrscheinlich nicht den gleichen Viskositätswert wie ein Laborviskosimeter wie Rotationsmessgeräte, da die Technologien mit sehr unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten arbeiten. Rheonics SRV und SRD sind vorwiegend Instrumente zur Prozesskontrolle. Anhand ihrer Messwerte können kleinste Abweichungen vom Ausgangswert in der Produktion erkannt werden, was sie ideal für die Prozessüberwachung und -kontrolle macht.

Wenn jedoch eine Anpassung an Laborwerte erforderlich ist, kann ein Korrelationsmodell erstellt werden, das die Inline-Messwerte so transformiert, dass sie mit den Laborergebnissen übereinstimmen. Dieses Modell kann in die Sensor-Firmware hochgeladen werden, um eine in Echtzeit angepasste Ausgabe zu ermöglichen.

Die richtigen Rheonics Sensoren in Mischtanks liefern sehr aufschlussreiche Informationen über den Prozess, die Veränderung der Flüssigkeitszusammensetzung und die Gesamtprozessleistung. Mischprozesse können jedoch auch zu Messrauschen führen, vor allem in Bezug auf die Viskosität. Dieses Rauschen kann auch repräsentativ für die Prozessentwicklung sein, da die Verringerung des Messrauschens bei Erreichen der Sollviskosität ein Indikator für die Homogenität des Systems ist. Spätere Abweichungen vom Sollwerttoleranzbereich können auf Artefakte, Blasen oder Alterung in einer Aufschlämmung hinweisen. Die Sicherstellung, dass Viskosität und Dichte innerhalb des Sollwertbereichs bleiben, ist eine hervorragende Möglichkeit, um zu bestätigen, dass das Endprodukt die Zusammensetzungs- und Konsistenzziele für die Qualitätskontrolle erfüllt.

Echtzeitdaten zu Viskosität und Dichte bieten tiefe Einblicke in das Verhalten von Schlamm:

• Stabile Viskositätswerte im Laufe der Zeit weisen auf eine gleichmäßige Mischung hin.
• Plötzliche Abweichungen kann auf Verunreinigungen, Luftblasen oder Materialzersetzung hinweisen.
• Niedrige Messung Rauschen während der Sollwerterreichung deutet auf Homogenität hin.

[1] PRODUKTIONSPROZESS FÜR LITHIUM-IONEN-BATTERIEZELLEN. https://www.pem.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaabdqbtk

[2] Batteriematerialien. https://www.freemantech.co.uk/applications/battery-materials

[3] Elektrolytbefüllung einer Lithium-Ionen-Zelle . https://www.youtube.com/watch?si=6ksqM2v-ksH7vB_z&v=ceUSPNzxwls