Von leichten Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen mit größerer Reichweite – unzählige Anwendungen erfordern eine Erhöhung der Energiedichte und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien. Da Batterieelektroden direkt zu diesen Aspekten der Batteriefunktion beitragen, sind Elektroden und ihre Komponenten in der Batterieforschung im Hinblick auf eine Weiterentwicklung der Technologie von besonderem Interesse. Die Verarbeitung der Batterie-Slurry ist ebenfalls ein wichtiger Schritt der Herstellung und bietet erhebliche Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Kostensenkung.

Die Optimierung der Stabilität und Fließfähigkeit einer Slurry erfordert die richtige Formulierung von Kathoden-/Anodenmaterialien, Bindemitteln, Additiven und Lösungsmitteln. Die Rheologie, d. h. die Analyse der Fließfähigkeit und der Verformung von Werkstoffen, eignet sich gut für die Forschung, Entwicklung und Qualitätskontrolle von Slurrys.

In der Batterieherstellung werden mittels Rheologie wichtige Slurry-Eigenschaften gemessen und analysiert, z. B.:

• Mischen und Beschichten
• Strukturelle Veränderungen und Wiederherstellung
• Stabilität und Haltbarkeit
• Elektrodenhomogenität
• Qualitätskontrolle

Drei rheologische Messungen sind für Batterie-Slurrys von entscheidender Bedeutung: Viskosität, Thixotropieindex und Fließspannung.

Die Viskosität ist ein Maß für den Fließwiderstand der Slurry bzw. deren innere Reibung. Die Formulierung und die Ausgangswerkstoffe in einer Slurry können sich erheblich auf deren Fließverhalten auswirken. Die Kenntnis des Fließverhaltens einer Slurry ist eine Voraussetzung zur Optimierung der Verarbeitungsbedingungen beim Mischen und Beschichten.

Das thixotrope Verhalten beschreibt die  zeitabhängigen Veränderungen der strukturellen Verformung eines Werkstoffs. Es gibt Aufschluss über die Struktur der Slurry im Ruhezustand, wie sie sich während der Beschichtung verformt und wie schnell sie nach der Beschichtung wiederhergestellt ist.

Die Fließspannung ist die angelegte Spannung, bei der der Werkstoff plastisch zu fließen beginnt. Bei Spannungswerten unterhalb der Fließgrenze fließt das Material nicht. Die Fließspannung ist entscheidend für die Einschätzung der Haltbarkeit und Sedimentationsstabilität einer Slurry.

Die rheologische Analyse einer Slurry ermöglicht die Bestimmung der besten Formulierung für Elektroden. So lassen sich mittels Rheologie zum Beispiel die Bedingungen für die Stabilität zwischen mehreren unterschiedlichen Slurry-Formulierungen gut unterscheiden. In einer in Essential Battery Slurry Characterization Techniques durchgeführten Studie wurden rheologische Analysen eingesetzt, um überlegene homogene Mischungen zu finden und eine bessere Batterieleistung zu erzielen. Das Experiment und die Ergebnisse sind hier in dem E-Book zu finden.

Die Elektroden-Slurry-Matrix enthält aktive Pulver, die für die Funktion und Leistung der Batterie von entscheidender Bedeutung sind. Die Pulverrheologie misst Kohäsion, Streckgrenze und Fließfähigkeit eines Pulverwerkstoffs. Form, Größe und Oberflächenbehandlung eines Pulvers können jedoch das Verhalten einer Slurry verändern, d. h. von einer Verringerung der Viskosität bis hin zur Leichtigkeit der Dispergierung. Die Pulverrheologie gibt Aufschluss über ideale Lagerbedingungen und Verarbeitung für einen optimalen Pulverfluss unter gleichzeitiger Vermeidung einer Agglomeration des Pulvers. In der Studie auf Seite 11 des E-Books Essential Battery Slurry Characterization Techniques wird erläutert, warum die Pulverrheologie geeignet ist, um Aggregate zu reduzieren und homogene Elektrodenbeschichtungen zu erhalten.

Die Rheologie wird auch verwendet, um bessere Verarbeitungsbedingungen für Elektroden-Slurrys zu entwickeln. Hawley und Li vom Oak Ridge National Laboratory bzw. der University of Tennessee veröffentlichten ihre Ergebnisse zur Analyse des Mischverhaltens von Slurrys und von Beschichtungstemperaturen mithilfe eines Discovery Hybrid Rheometers von TA Instruments, um die Eigenschaften ihrer Slurry zu untersuchen und die Verarbeitungsbedingungen zu optimieren. Sie stellten fest, dass eine Erhöhung der Verarbeitungstemperatur eine schnellere und fehlerfreiere Beschichtung ermöglicht, gleichzeitig den Verarbeitungsabfall reduziert und die Sedimentationsbeständigkeit verbessert.

Mit modernster, intuitiver Technologie ist es heute einfacher denn je, zuverlässige Messungen und Analysen der Slurry-Rheologie zu erhalten. Das Discovery Hybrid Rheometer von TA Instruments setzt den Maßstab in puncto Leistung, Benutzerfreundlichkeit und Vielseitigkeit an rheologischen Tests.

Erfahren Sie mehr über die Anwendung der Slurry-Rheologie mit echten Experimentbeispielen im vollständigen E-Book Slurry Rheology. In dieser kostenlos erhältlichen Ressource sind Studien zusammengestellt, die zeigen, wie Slurry-Formulierungen und Verarbeitungsbedingungen für eine verbesserte Batterieleistung optimiert werden können.

Individuelle Informationen darüber, wie die Slurry-Rheologie auch Ihre Batterieentwicklung voranbringen kann, erhalten Sie von den Experten bei TA Instruments.