De nieuwste waarneming en analyse van lithium-ionbatterijen en batterijen van de volgende generatie

Basisstructuur van lithium-ionbatterijen

Elk onderdeel van een lithium-ionbatterij, met inbegrip van de functies ervan, wordt hier uitgelegd aan de hand van een afbeelding van een typisch voorbeeld van de basisstructuur van deze batterijen.

Vormen en vormgeving van lithium-ionbatterijen

De cellen van lithium-ionbatterijen, die de hierboven genoemde interne structuur hebben, zitten in allerlei vormgegeven behuizingen van verschillende materialen. Hieronder worden aan de hand van afbeeldingen drie representatieve vormen (vormgevingen) van lithium-ionbatterijen uitgelegd.

Cilindertype

Van cilindervormige lithium-ionbatterijen wordt verondersteld dat die de hoogste capaciteit tegen de laagste kosten hebben. Wanneer echter meerdere cellen in een behuizing worden geplaatst, zitten er tussen de cellen ruimtes waardoor de dichtheid minder wordt.

Prismatisch type

Aluminium behuizingen worden vaak gebruikt voor prismatische lithium-ionbatterijen. De polariteit van een prismatische batterij verandert al naargelang het materiaal van de behuizing (ijzer of aluminium). Bij een ijzeren behuizing zit de positieve pool aan de bovenkant en bij een aluminium behuizing zit de negatieve pool aan de bovenkant.

Gelamineerd type (lithiumpolymeerbatterij)

Het gelamineerde type batterij word ook lithiumpolymeerbatterij genoemd. Omdat bij gebruik van een met folie gelamineerde cel de batterij dunner wordt, wordt dit type gebruikt voor toestellen die dunner moeten zijn, zoals smartphones en tablets.
Typische elektrolyten die voor dit type worden gebruikt, zijn gels die polymeren bevatten zoals polyethyleenoxide (PEO), polypropyleenoxide (PPO) en polyvinylideenfluoride (PVDF).

Soorten materialen en eigenschappen van materialen die worden gebruikt voor de positieve en negatieve elektroden van lithium-ionbatterijen

De kenmerken, toepassingen en zelfs de kosten veranderen al naargelang de materialen voor de positieve of negatieve elektrode van lithium-ionbatterijen. Lees verder voor een inleiding tot enkele standaardtypen batterijen en de eigenschappen ervan.

Op basis van kobalt
Positieve elektrode: lithiumkobalt-oxide LiCoO2/Negatieve elektrode: grafiet LiC6

De meest gebruikte lithium-ionbatterijen, die met name in mobiele apparaten worden gebruikt. Kobalt is echter duur en er is een kans op thermische oververhitting, waardoor deze batterijen veiligheidsproblemen in voertuigen kunnen opleveren.

Op basis van nikkel
Positieve elektrode: lithiumnikkel-oxide LiNiO2/Negatieve elektrode: grafiet LiC6

Lithium-ion batterijen op basis van nikkel hebben de grootste capaciteit. Vroeger maakte men zich zorgen over de veiligheid van dit type batterij. De NCA-basis, die wordt geproduceerd door een deel van het nikkel te vervangen door kobalt en door aluminium toe te voegen, heeft de veiligheid van dit type batterij echter verbeterd, waardoor dit type kan worden gebruikt in plug-in hybride elektrische voertuigen.

Op basis van mangaan
Positieve elektrode: lithiummangaan-oxide LiMn2O4/Negatieve elektrode: grafiet LiC6

Lithium-ion-batterijen op basis van mangaan (LMO-basis) worden voornamelijk gebruikt in voertuigen omdat mangaan goedkoop is, ongeveer een tiende van de prijs van kobalt, en de stijve kristalstructuur zeer veilig is omdat die een hoge thermische stabiliteit heeft.

Op basis van ijzerfosfaat
Positieve elektrode: lithium-ijzerfosfaat LiFePO4/Negatieve elektrode: grafiet LiC6

Lithium-ijzerfosfaat-ionbatterijen hebben een kristalstructuur die zeer veilig is omdat die moeilijk breekt, zelfs wanneer die in de batterijen wordt verhit. Een ander voordeel van dit type batterij is dat die goedkoper kan worden geproduceerd dan op mangaan gebaseerde batterijen waarin ijzer wordt gebruikt. Een nadeel van dit type batterij is dat die een lage energiedichtheid heeft.

Op basis van drie componenten
Positieve elektrode: nikkel en mangaan vervangen een deel van de lithiumkobalt-oxide Li(Ni-Co-Mn)O2/Negatieve elektrode: grafiet LiC6

Lithium-ion batterijen die uit drie-componenten bestaan (kobalt, nikkel en mangaan), ook wel NCM-batterijen genoemd, zijn veiliger. Dit type batterij wordt gebruikt in plug-in hybride elektrische voertuigen.

Op basis van titaanzuur
Positieve elektrode: lithiummangaan-oxide LiMn2O4/Negatieve elektrode: lithiumtitaan Li4Ti5O12

Lithium-ionbatterijen op basis van titaanzuur hebben een lange levensduur een gaan ongeveer zes keer langer mee dan conventionele lithium-ionbatterijen waarbij grafiet voor de negatieve elektrode wordt gebruikt en snel kan worden opgeladen. Een nadeel van dit type batterij is echter dat die een lage energiedichtheid heeft.

De volgende generatie batterijen die naar verwachting beschikbaar en populair zullen worden

Naar verwachting zal de volgende generatie secundaire batterijen nog veiliger zijn en een nog grotere capaciteit hebben, gezien de toegenomen toepassingen, zoals het gebruik in elektrische voertuigen (EV's). Veel bedrijven doen ongeacht hun grootte onderzoek naar en ontwikkelen secundaire batterijen van de volgende generatie als een manier om hun zakelijke toekomst te verbeteren. Lees verder voor een inleiding tot kenmerkende secundaire batterijen van de volgende generatie.

Lithium-luchtbatterij

Sommige onderzoeken suggereren dat de capaciteit in theorie meer dan 10.000 wattuur/kg kan worden. In de tests is bevestigd dat deze eigenschap ongeveer 600 wattuur/kg is. Op lithiummetaal dat voor negatieve elektroden wordt gebruikt, kunnen zich echter gemakkelijk afzettingen vormen. De veiligheid van dit metaal kan dus minder worden en de eigenschappen ervan kunnen verslechteren wanneer het reageert met vocht in de lucht.

Vastestofbatterij

Bij een vaste-stofbatterij wordt een vaste elektrolyt als separator gebruikt in plaats van de vloeibare elektrolyten die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt. Zo kunnen halfgeleiderbatterijen in verschillende vormen worden vervaardigd die niet kunnen gaan lekken. De theoretische capaciteitsdichtheid is volgens zeggen ten minste 2000 wattuur/kg. Dit is echter slechts een theoretische waarde. Onderzoek en ontwikkeling zijn momenteel gaande met het doel dit type batterij in de praktijk te gaan gebruiken met een beoogde capaciteitsdichtheid van 500 wattuur/kg of meer. Dit type batterij kan zeer snel worden opgeladen en ontladen en blijft zijn capaciteit lang houden, zelfs na vele laadcycli.
Vaste elektrolyten zijn er in twee soorten: op zwavelbasis en op zuurstofbasis. De elektrolyt op basis van zwavel heeft superieure eigenschappen, maar brengt het risico met zich mee dat er bij ontbranding of bij reactie met water waterstofsulfide ontstaat. De eerste vastestofbatterijen zijn kleine batterijen voor elektronische apparaten.

De volgende generatie lithium-ionbatterij

Silicium en grafeen worden gebruikt voor de negatieve elektrode. Naar dit type batterij wordt onderzoek gedaan om met de bestaande fabricageprocedés de capaciteit ervan te verhogen. Een onderzoekspunt dat de aandacht trekt, is het feit dat door het wisselen tussen verschillende elektrolyten de laad- en ontlaadsnelheden kan worden verhoogd.

Lithium-zwavelbatterij

Lithium-zwavelbatterijen hebben in theorie een capaciteit van 2500 wattuur/kg die groter is dan die van vaste-stofbatterijen en worden geproduceerd zonder dure materialen zoals kobalt. Dankzij deze eigenschappen kunnen naar verwachting batterijen met grote capaciteit goedkoper worden geproduceerd. Tegelijkertijd geleiden lithium-zwavelbatterijen minder, zijn ze minder stabiel en kunnen ze qua capaciteit achteruitgaan wanneer die vaak worden opgeladen.

Natrium-ionbatterij

Hoewel de capaciteit gelijk is aan of iets kleiner dan die van de huidige lithium-ionbatterijen, kunnen natrium-ionbatterijen tegen lage kosten worden geproduceerd omdat er voor de productie geen zeldzaam metaal nodig is en de bestaande fabricageapparatuur niet hoeft te worden aangepast. Net zoals bij bestaande lithium-ionbatterijen hebben natrium-ionbatterijen te maken met veiligheidsrisico's zoals de hoge reactiviteit van natriumafzettingen, en kan de levensduur van dit type batterij na vele malen opladen achteruitgaan.

Problemen bij het waarnemen en analyseren van secundaire batterijen zoals lithium-ionbatterijen

Fabrikanten wedijveren met elkaar op het gebied van onderzoek naar en ontwikkeling van veiligere lithium-ionbatterijen met betere prestaties. Kwaliteitsborging en -controle zijn vereist voor een snelle productcyclus. Bovendien wedijveren bij onderzoek, ontwikkeling en octrooiaanvragen voor de volgende generatie batterijen veel bedrijven en onderzoekers dagelijks met elkaar om superieure technologieën te produceren.
Daarom zijn waarneming, analyse, kwantitatieve beoordeling en zelfs de snelheid van deze werkzaamheden cruciaal en kunnen die belangrijke succesfactoren zijn voor zowel het testen als de kwaliteitsborging bij R&D en de ontwikkeling en de verbetering van secundaire batterijen.
Tegelijkertijd doen er zich bij het waarnemen en analyseren met optische microscopen de volgende problemen voor.

• Scherpstellen en bepalen van de verlichtingsconditie zijn lastig bij driedimensionale doelen of bij doelen met kleine krasjes die een laag contrast hebben. Bij deze doelen verschilt de scherpstelpositie per gebruiker, wat tot fouten in de evaluatieresultaten leidt.
• Schittering kan zich voordoen tijdens het waarnemen van oppervlakken die bestaan uit een mengsel van materialen met verschillende glanzende oppervlakken. Daardoor is het lastig te bepalen welke verlichtingsinstellingen geschikt zijn om deze doelen waar te nemen, wat vaak verkeerde analyses tot gevolg heeft.
• Het kost tijd en moeite om een monster uit te lijnen en de hoek te veranderen.
• Voor het tellen van verontreinigingen en het nauwkeurig waarnemen van vreemde deeltjes volgens de geldende industriële normen, kan de opstelling omslachtig zijn en veel tijd en moeite kosten. Bovendien moet de gebruiker zeer deskundig zijn om nauwkeurige analyseresultaten en kwantitatieve waarden te verkrijgen.
• Meetwaarden en tellingen worden niet als numerieke gegevens opgeslagen, waardoor latere werkzaamheden zoals analyse, evaluatie en het opstellen van rapporten zeer veel tijd en moeite kosten.

Lees verder voor een inleiding tot voorbeelden van het op een eenvoudige manier snel en nauwkeurig waarnemen en analyseren met de nieuwste 4K digitale microscoop waarmee bovenstaande problemen tot het verleden behoren.

Telling van vreemde deeltjes (analyse van besmetting die voldoet aan de ISO-normen)

De VHX-reeks kan verontreiniging meten conform ISO 16232 en de VDA 19-normen voor technische reinheid in de auto-industrie. Dit product is voorzien van de functie voor het automatisch meten/tellen van gebieden waarbij HR-beelden met een grote scherptediepte worden gebruikt die zijn vastgelegd met de zeer functionele, ingebouwde verlichtingsunit. Dankzij deze functies kunnen verontreinigingen zoals vreemde deeltjes nauwkeurig en gemakkelijk worden geteld en gemeten, zelfs op doelen met onregelmatigheden in het oppervlak.
In de gedetailleerde analysemodus wordt de objecttafel automatisch verplaatst wanneer de gebruiker eenvoudig een verontreiniging selecteert op een beeld van het volledige membraanfilter, waardoor de geselecteerde verontreiniging sterk vergroot in hetzelfde beeld kan worden bekeken. Hierdoor kunnen vreemde deeltjes snel en gemakkelijk worden geïdentificeerd. Bovendien maakt de combinatie van de functies voor dieptecompositie en 3D-hoogtemeting nauwkeurige waarneming en gekwantificeerde 3D-metingen mogelijk, zelfs bij doelen met onregelmatigheden in het oppervlak.

• Downloaden
• Contact / Aanvragen

Waarneming van krassen op separators

De HD-kop uit de VHX-reeks kan automatisch wisselen tussen lenzen om naadloos het vergrotingsbereik van 20x tot 6000x te veranderen zonder dat er van lens hoeft te worden gewisseld. De ingebouwde verlichtingsunit (gemotoriseerd diafragma) maakt verschillende waarnemingsmethoden mogelijk, zoals helder veld, donker veld, gepolariseerd licht en differentieel interferentiecontrast (DIC). Met deze microscoop kan elk doel automatisch worden waargenomen.
Minuscuul kleine krasjes op separatoroppervlakken bijvoorbeeld kunnen gemakkelijk en snel zichtbaar worden gemaakt in een 4K-beeld met hoge resolutie dat met DIC is vastgelegd.

• Downloaden
• Contact / Aanvragen

Waarneming van afgebladderde negatief elektrodemateriaal

De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks heeft een grote scherptediepte, waardoor waarneming met scherpe 4k-beelden met hoge resolutie in het gehele waarnemingsveld mogelijk is.
Met de ingebouwde verlichtingsunit ondersteunt deze microscoop ook diverse waarnemingsomstandigheden, zodat een duidelijke waarneming mogelijk is, zelfs als een doel uit allerlei materialen met verschillende glanzende oppervlakken bestaat.

Bovendien worden met de multiverlichtingsfunctie beeldgegevens met één druk op een knop automatisch onder omnidirectionele verlichting geregistreerd. Het waargenomen beeld kan worden vastgelegd door uit de vastgelegde beelden het meest geschikte beeld voor de waarneming te selecteren. Omdat ook andere dan de geselecteerde beelden worden opgeslagen, kan het doel worden waargenomen met behulp van beelden die onder andere verlichtingscondities zijn gemaakt. Bovendien worden de omstandigheden waaronder een beeld eerder is gemaakt, gereproduceerd en gebruikt voor de waarneming van een ander monster van hetzelfde type doel, waardoor menselijke fouten bij de waarneming en evaluatie tot een minimum worden beperkt.

• Downloaden
• Contact / Aanvragen

Waarneming van gelaste delen van batterijbehuizingen

De kwaliteit van het laswerk waarmee het deksel of de afdekking van vierkante behuizingen wordt afgedicht, is zeer belangrijk om de veiligheid van lithium-ionbatterijen te kunnen waarborgen.

De VHX-reeks is voorzien van de Optical Shadow Effect-modus, een nieuwe waarnemingsmethode waarmee microscopisch kleine vormen duidelijker in beeld worden gebracht. Minuscule onregelmatigheden op het oppervlak kunnen worden ontwaard door de verplaatsing (het contrast) te analyseren in een beeld dat is vastgelegd met omnidirectionele verlichting, waardoor er een zeer helder waarnemingsbeeld kan worden verkregen.
Kleurinformatie kan over dit beeld in de Optical Shadow Effect-modus worden gelegd om de informatie over de onregelmatigheid van het oppervlak op een begrijpelijke manier zichtbaar te maken door de informatie over de onregelmatigheid van het oppervlak en de kleurinformatie tegelijkertijd weer te geven en door de informatie over de onregelmatigheid van het oppervlak met verschillende kleuren weer te geven (kleurtoewijzing).

3D-meting van onregelmatigheden in het oppervlak en van profielmeting van de gewenste locatie kunnen zelfs na de waarneming worden uitgevoerd met behulp van opgeslagen beelden. Bijgevolg hoeft er geen tijd te worden besteed aan het opnieuw instellen van hetzelfde monster, het bepalen van dezelfde plaats en het reproduceren van de waarnemingsomstandigheden, zelfs wanneer er naderhand nog verder moet worden geanalyseerd.
Net als op een computer kan het spreadsheetprogramma op de VHX-reeks worden geïnstalleerd. Vastgelegde waarnemingsbeelden en meetwaarden kunnen automatisch worden uitgevoerd naar een sjabloon. Het grote voordeel daarvan is dat het dan veel minder tijd kost om rapporten te maken.

• Downloaden
• Contact / Aanvragen