Die fortschrittlichste Betrachtung und Analyse von Lithium-Ionen-Batterien und Batterien der nächsten Generation

Grundstruktur von Lithium-Ionen-Batterien

Jeder Teil einer Lithium-Ionen-Batterie, einschließlich ihrer Funktionen, wird hier mit einer Abbildung erklärt, die ein typisches Beispiel für den grundlegenden Aufbau dieser Batterien zeigt.

Formen und Ausprägungen von Lithium-Ionen-Batterien

Die Zellen von Lithium-Ionen-Batterien, die die oben beschriebene innere Struktur aufweisen, sind mit Gehäusen in verschiedenen Formen und aus unterschiedlichen Materialien umhüllt. Drei repräsentative Formen von Lithium-Ionen-Batterien werden im Folgenden anhand von Abbildungen erläutert.

Zylindertyp

Es wird davon ausgegangen, dass zylindrische Lithium-Ionen-Batterien die höchste Kapazitätsdichte zu den niedrigsten Kosten bieten. Wenn jedoch mehrere Zellen in einem Gehäuse kombiniert werden, bleiben Lücken zwischen den Zellen, wodurch die Dichte abnimmt.

Prismatischer Typ

Für prismatische Lithium-Ionen-Batterien werden häufig Aluminiumgehäuse verwendet. Die Polung einer prismatischen Batterie ändert sich je nach Gehäusematerial, Eisen oder Aluminium. Bei einem Eisengehäuse befindet sich die positive Anschlussklemme auf der Oberseite, bei einem Aluminiumgehäuse die negative Anschlussklemme auf der Oberseite.

Laminierter Typ (Lithium-Polymer-Batterie)

Der laminierte Typ wird auch als Lithium-Polymer-Batterie bezeichnet. Da durch die Verwendung einer mit Folien laminierten Zelle die Dicke der Batterie reduziert werden kann, wird dieser Typ für Geräte verwendet, die dünner sein müssen, wie Smartphones und Tablets.
Typische Elektrolyte für diesen Typ sind Gele, die Polymere wie Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO) und Polyvinylidendifluorid (PVDF) enthalten.

Arten und Eigenschaften von Materialien, die für positive und negative Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden

Je nachdem, welche Materialien für die positive oder negative Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, ändern sich die Eigenschaften, Anwendungen und sogar die Kosten. Lesen Sie weiter, um eine Einführung in einige übliche Typen und ihre Eigenschaften zu erhalten.

Kobaltbasis
Positive Elektrode: Lithium-Kobalt-Oxid LiCoO2/Negative Elektrode: Graphit LiC6

Die am häufigsten verwendeten Lithium-Ionen-Batterien, die vor allem in mobilen Geräten zum Einsatz kommen. Aber Kobalt ist teuer und es besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens, so dass sie für den Einsatz in Fahrzeugen Sicherheitsbedenken aufwerfen.

Nickelbasis
Positive Elektrode: Lithium-Nickel-Oxid LiNiO2/Negative Elektrode: Graphit LiC6

Lithium-Ionen-Batterien auf Nickelbasis haben die größte Kapazität. Früher gab es Sicherheitsbedenken bezüglich dieses Typs. Die NCA-Basis, bei der ein Teil des Nickels durch Kobalt ersetzt und Aluminium hinzugefügt wird, hat jedoch die Sicherheit dieses Typs verbessert, so dass er auch in Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen verwendet werden kann.

Manganbasis
Positive Elektrode: Lithium-Mangan-Oxid LiMn2O4/Negative Elektrode: Graphit LiC6

Lithium-Ionen-Batterien auf Manganbasis (LMO-Basis) werden am häufigsten in Fahrzeugen verwendet, da Mangan billig ist – nur etwa ein Zehntel so teuer wie Kobalt – und seine starre Kristallstruktur sehr sicher ist, da sie eine hohe thermische Stabilität aufweist.

Eisenphosphatbasis
Positive Elektrode: Lithiumeisenphosphat LiFePO4/Negative Elektrode: Graphit LiC6

Lithium-Ionen-Batterien, die Eisenphosphat verwenden, haben eine Kristallstruktur, die sehr sicher ist, da sie selbst bei Erhitzung in Batterien nur schwer zerbricht. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieser Typ zu noch geringeren Kosten hergestellt werden kann als Batterien auf Manganbasis, die Eisen verwenden. Ein Nachteil dieses Typs ist seine geringe Energiedichte.

Drei-Komponenten-Basis
Positive Elektrode: Nickel und Mangan werden durch einen Teil des Lithium-Kobalt-Oxids Li(Ni-Co-Mn)O2 ersetzt/Negative Elektrode: Graphit LiC6

Drei-Komponenten-Lithium-Ionen-Batterien, auch NCM-basierte Batterien genannt, verwenden drei Komponenten – Kobalt, Nickel und Mangan – um die Sicherheit zu erhöhen. Wie bei den NCA-basierten Batterien wird dieser Typ in Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen verwendet.

Titansäurebasis
Positive Elektrode: Lithium-Mangan-Oxid LiMn2O4/Negative Elektrode: Lithium-Titanat Li4Ti5O12

Lithium-Ionen-Batterien auf der Basis von Titansäure haben eine lange Lebensdauer, die etwa sechsmal länger ist als die sonstiger Lithium-Ionen-Batterien mit Graphit als negativer Elektrode, und laden sich zudem sehr schnell auf. Sie haben jedoch eine geringe Energiedichte, was ein Nachteil ist.

Batterien der nächsten Generation, die voraussichtlich verfügbar und sich verbreiten werden.

Mit der Ausweitung der Anwendungen, z. B. in Elektrofahrzeugen, wird erwartet, dass die nächste Generation von Sekundärbatterien noch sicherer ist und eine noch größere Kapazität aufweist. Viele Unternehmen, unabhängig von ihrer Größe, arbeiten an der Erforschung und Entwicklung von Sekundärbatterien der nächsten Generation, um ihre geschäftliche Zukunft zu verbessern. Lesen Sie weiter, um eine Einführung in repräsentative Sekundärbatterien der nächsten Generation zu erhalten.

Lithium-Luft-Batterie

Einige Studien legen nahe, dass die Kapazitätsdichte theoretisch 10.000 Wh/kg übersteigen kann. In den Tests hat sich bestätigt, dass diese Eigenschaft etwa 600 Wh/kg erreicht. Auf dem Lithiummetall, das für die negative Elektrode verwendet wird, können sich jedoch leicht Ablagerungen bilden. Daher kann die Sicherheit dieses Metalls abnehmen und seine Eigenschaften können sich verschlechtern, wenn es mit der Feuchtigkeit in der Luft reagiert.

Festkörperbatterie

Eine Festkörperbatterie verwendet ein festes Elektrolyt als Separator anstelle der flüssigen Elektrolyte, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Dadurch können Festkörperbatterien in verschiedenen Formen hergestellt werden und sind frei von Flüssigkeitsaustritt. Die theoretische Kapazitätsdichte wird auf mindestens 2000 Wh/kg geschätzt. Dies ist jedoch nur ein theoretischer Wert. Derzeit laufen Forschung und Entwicklung mit dem Ziel, diesen Batterietyp mit einer Kapazitätsdichte von 500 Wh/kg oder mehr in den praktischen Einsatz zu bringen. Dieser Batterietyp kann mit hoher Geschwindigkeit geladen und entladen werden und verschlechtert sich auch nach vielen Ladezyklen nicht.
Feste Elektrolyte sind in zwei Arten erhältlich: auf Schwefel- und auf Sauerstoffbasis. Der Elektrolyt auf Schwefelbasis hat überlegene Eigenschaften, birgt aber die Gefahr der Bildung von Schwefelwasserstoff, wenn er sich entzündet oder mit Wasser reagiert. Die Herstellung von Festkörperbatterien hat mit kleinen Batterien für elektronische Geräte begonnen.

Lithium-Ionen-Batterie der nächsten Generation

Für die negative Elektrode werden Silizium und Graphen verwendet. Dieser Batterietyp wird erforscht und entwickelt, um die Kapazität zu erhöhen, während bestehende Herstellungsverfahren verwendet werden. Ein Forschungsgegenstand, der immer mehr Aufmerksamkeit erregt, ist die Tatsache, dass der Wechsel zu anderen Elektrolyten die Lade- und Entladegeschwindigkeit erhöhen kann.

Lithium-Schwefel-Batterie

Lithium-Schwefel-Batterien können theoretisch eine Kapazitätsdichte von 2500 Wh/kg haben, was höher ist als bei Festkörperbatterien, und verwenden keine teuren Materialien wie Kobalt. Mit diesen Eigenschaften können Sie große Kapazitäten zu niedrigen Kosten erwarten. Gleichzeitig haben Lithium-Schwefel-Batterien eine niedrige Leitfähigkeit und geringe Stabilität und können sich bei häufigem Aufladen verschlechtern.

Natrium-Ionen-Batterie

Obwohl die Kapazitätsdichte gleich oder geringfügig geringer ist als die der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien, können Natrium-Ionen-Batterien zu niedrigen Kosten hergestellt werden, da kein seltenes Metall benötigt wird und bestehende Produktionsanlagen verwendet werden können. Wie bei den bestehenden Lithium-Ionen-Batterien gibt es auch bei Natrium-Ionen-Batterien Sicherheitsbedenken, z. B. die hohe Reaktivität von Natriumablagerungen, und ihre Eigenschaften können sich nach vielen Ladezyklen verschlechtern.

Probleme bei der Betrachtung und Analyse von Sekundärbatterien wie Lithium-Ionen-Batterien

Die Hersteller konkurrieren um die Erforschung und Entwicklung sichererer und leistungsfähigerer Lithium-Ionen-Batterien. Qualitätssicherung und -kontrolle sind für einen schnellen Produktzyklus erforderlich. Darüber hinaus konkurrieren in der Forschung, Entwicklung und Patentanmeldung für Batterien der nächsten Generation täglich viele Unternehmen und Forscher um die Entwicklung überlegener Technologien.
Daher sind Betrachtung, Analyse, quantitative Auswertung und sogar die Geschwindigkeit dieser Vorgänge wichtig und können wichtige Erfolgsfaktoren sowohl für die Prüfung als auch für die Qualitätssicherung bei der Forschung, Entwicklung und Verbesserung von Sekundärbatterien sein.
Gleichzeitig ist die Betrachtung und Analyse mit optischen Mikroskopen mit den folgenden Problemen verbunden.

• Die Fokuseinstellung und die Bestimmung der Lichtverhältnisse sind bei dreidimensionalen Messobjekten oder Messobjekten mit subtilen Kratzern und geringem Kontrast schwierig. Bei diesen Messobjekten variiert die Fokusposition von Bediener zu Bediener, was zu Fehlern in den Auswertungsergebnissen führt.
• Bei der Betrachtung von Bereichen, die eine Mischung von Materialien mit unterschiedlich glänzenden Oberflächen enthalten, kann Blendung auftreten. Es ist schwierig, die geeigneten Beleuchtungseinstellungen für die Betrachtung dieser Messobjekte zu bestimmen, was oft zu Fehlern bei der Analyse führt.
• Es kostet Zeit und Mühe, eine Probe auszurichten und den Winkel zu ändern.
• Die Zählung von Verunreinigungen und die genaue Betrachtung von Fremdkörpern gemäß geltender Normen kann sehr mühsam sein und viel Zeit und Mühe erfordern. Außerdem ist ein hohes Maß an Fachwissen erforderlich, um genaue Analyseergebnisse und quantitative Werte zu erhalten.
• Messwerte und Zählungen werden nicht als numerische Daten gespeichert, was viel Zeit und Mühe für nachfolgende Arbeiten wie Analyse, Auswertung und Berichterstellung erfordert.

Lesen Sie weiter, um Beispiele für eine schnelle und genaue Betrachtung und Analyse mit einfacher Bedienung unter Verwendung des neuesten Digitalmikroskops, das die oben genannten Probleme löst, kennenzulernen.

Zählung von Fremdkörpern (Restschmutzanalyse gemäß ISO-Normen)

Die Modellreihe VHX kann Verunreinigungen gemäß den Sauberkeitsstandards der Automobilindustrie nach ISO 16232 und VDA 19 messen. Dieses Produkt ist mit einer präzisen automatischen Flächenmessung/Zählung ausgestattet, die hochauflösende Bilder mit hoher Tiefenschärfe verwendet, die mit der hochfunktionalen eingebauten Beleuchtungseinheit aufgenommen wurden. Damit lassen sich Verunreinigungen, wie z. B. Fremdkörper, selbst auf Messobjekten mit Oberflächenunregelmäßigkeiten präzise und einfach zählen und messen.
Im detaillierten Analysemodus bewegt sich der Objekttisch automatisch, wenn der Bediener einfach eine Verunreinigung auf einem Bild des gesamten Membranfilters auswählt. So kann die ausgewählte Verunreinigung bei hoher Vergrößerung im selben Bild genau betrachtet werden. Dies ermöglicht eine schnelle und einfache Identifizierung von Fremdkörpern. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination der Funktionen Tiefenzusammensetzung und 3D-Höhenmessung eine genaue Betrachtung und quantifizierte 3D-Messung selbst bei Messobjekten mit Oberflächenunregelmäßigkeiten.

• Herunterladen
• Kontakt / Anfragen

Betrachtung von Kratzern auf Separatoren

Der hochauflösende Revolverkopf der Modellreihe VHX kann automatisch zwischen den Objektiven wechseln, um die Vergrößerung nahtlos von 20x bis 6000x zu ändern, ohne die Objektive auszutauschen. Die eingebaute Beleuchtungseinheit (motorisierte Blende) ermöglicht verschiedene Betrachtungsmethoden wie Hellfeld, Dunkelfeld, polarisiertes Licht und Differential-Interferenz-Kontrast (DIK). Dieses Produkt unterstützt automatisch die Betrachtung jedes beliebigen Messobjekts.
So lassen sich beispielsweise feine Kratzer auf Separatoroberflächen einfach und schnell in einem hochauflösenden 4K-Bild, das mit DIK aufgenommen wurde, sichtbar machen.

• Herunterladen
• Kontakt / Anfragen

Betrachtung von abgeblätterten negativen Elektrodenmaterialien

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX verfügt über eine hohe Tiefenschärfe, die eine Betrachtung mit hochauflösenden Bildern ermöglicht, die auf das gesamte Betrachtungsfeld fokussiert sind.
Mit der eingebauten Beleuchtungseinheit unterstützt dieses Mikroskop auch verschiedene Betrachtungsbedingungen, so dass eine klare Betrachtung auch dann möglich ist, wenn ein Messobjekt eine Mischung von Materialien mit unterschiedlich glänzenden Oberflächen enthält.

Zusätzlich werden mit der Multi-Lighting-Funktion auf Knopfdruck automatisch Bilddaten mit omnidirektionaler Beleuchtung aufgenommen. Das Betrachtungsbild kann durch Auswahl des für die Betrachtung am besten geeigneten Bildes aus den aufgenommenen Bildern erstellt werden. Da auch andere Bilder als das ausgewählte gespeichert werden, kann das Messobjekt mit anderen Bildern betrachtet werden, die unter anderen Lichtverhältnissen aufgenommen wurden. Darüber hinaus werden die Bedingungen, unter denen ein früheres Bild aufgenommen wurde, reproduziert und für die Betrachtung einer anderen Probe desselben Messobjekts verwendet, was menschliche Fehler bei der Betrachtung und Auswertung reduziert.

• Herunterladen
• Kontakt / Anfragen

Betrachtung von geschweißten Bereichen an Batteriegehäusen

Die Qualität der Schweißnähte, mit denen der Deckel oder die Abdeckung von quadratischen Gehäusen versiegelt wird, ist sehr wichtig für die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien.

Die Modellreihe VHX bietet einen optischen Schatteneffekt-Modus, eine neue Betrachtungsmethode, die mikroskopische Formen hervorhebt. Subtile Oberflächenunregelmäßigkeiten können durch die Analyse der Verschiebung (Kontrast) in einem mit omnidirektionaler Beleuchtung aufgenommenen Bild erkannt werden, was eine klare Betrachtung ermöglicht.
Diesem Bild im optischen Schatteneffekt-Modus können Farbinformationen überlagert werden, um die Informationen über die Oberflächenunregelmäßigkeiten auf leicht verständliche Weise zu visualisieren, indem die Informationen über die Oberflächenunregelmäßigkeiten und die Farbinformationen gleichzeitig dargestellt werden und indem die Informationen über die Oberflächenunregelmäßigkeiten mit verschiedenen Farben angezeigt werden (Farbzuordnung).

Die 3D-Messung von Oberflächenunregelmäßigkeiten und die Profilmessung an der gewünschten Stelle kann mit Hilfe von gespeicherten Bildern auch nach der Betrachtung durchgeführt werden. Es ist also nicht nötig, Zeit darauf zu verwenden, dieselbe Probe erneut einzustellen, denselben Ort zu lokalisieren und die Bedingungen der Betrachtung zu reproduzieren, selbst wenn später eine weitere Analyse erforderlich ist.
Wie bei PCs kann Tabellenkalkulationssoftware direkt auf der Modellreihe VHX installiert werden. Erfasste Betrachtungsbilder und Messwerte können automatisch in einer Vorlage ausgegeben werden, was den Zeitaufwand für die Erstellung von Berichten erheblich reduziert.

• Herunterladen
• Kontakt / Anfragen