Dans le paysage actuel, la demande de batteries lithium-ion monte en flèche. Des smartphones aux ordinateurs portables en passant par les voitures électriques, ces batteries sont au cœur de notre quotidien.
Le processus de production d’une batterie lithium-ion de haute qualité commence par la production d’un matériau actif de cathode, ou plus précisément, d’un matériau actif de cathode précurseur (PCAM). Un élément clé de la production de PCAM est le contrôle du pH, et le bon fait peut faire toute la différence.
Prenons un moment pour voir pourquoi les niveaux de pH sont si cruciaux dans la production de PCAM. La qualité du matériau actif de la cathode dépend de la morphologie (taille, forme et structure) des particules CAM, car cela a un impact direct sur la densité d’énergie de la batterie et sur la vitesse de charge et de décharge de la batterie.
La morphologie des particules CAM dépend de la morphologie des particules PCAM, et si la taille et la forme des particules ne sont pas parfaites, vous pourriez vous retrouver avec une batterie sous-performante, voire défaillante.
Le maintien d’un contrôle très strict du pH pendant la production de PCAM est essentiel pour atteindre les tailles de particules spécifiques qui garantissent l’efficacité et la fiabilité des batteries, et en fin de compte des voitures et des appareils dont nous avons besoin.
La figure (H. Muramatsu ; D. Endo ; T. Sasaki) montre comment le pH affecte la distribution granulométrique.
C’est là que cela devient vraiment intéressant : la qualité des batteries lithium-ion dépend de la façon dont nous maintenons notre contrôle du pH. Même un léger changement de pH - disons 0,2 unité de pH - peut entraîner des différences significatives dans les performances de la batterie.
Une sonde de pH fiable et bien entretenue permet d’obtenir la bonne taille et la bonne morphologie des particules, ce qui se traduit directement par une meilleure charge et une meilleure décharge de la batterie, ainsi qu’une meilleure autonomie globale de la batterie.
La taille des particules du PCAM influence considérablement les performances des batteries lithium-ion. Les particules plus petites offrent une surface plus élevée et une diffusion plus rapide du lithium-ion, ce qui améliore la capacité de vitesse et la vitesse de charge. Cependant, ils peuvent également augmenter les réactions secondaires et réduire la durée de vie du cycle en raison de l’instabilité de surface. Les particules plus grosses augmentent la densité de prise et la densité d’énergie, mais peuvent limiter la mobilité du lithium, réduisant ainsi les performances à des taux élevés.
La taille optimale des particules PCAM équilibre la densité d’énergie, la durée de vie du cycle et la capacité de cadence. L’adaptation de ce paramètre est cruciale pour des applications allant des véhicules électriques à l’électronique portable, où l’efficacité et la durabilité sont essentielles pour les performances à long terme de la batterie.
Bien que l’importance d’un contrôle précis du pH soit évidente dans la production de PCAM, de nombreux fabricants rencontrent des défis importants en cours de route. Tout d’abord, de nombreux réacteurs utilisés dans ce processus sont basés sur des conceptions des années 1990. Cela signifie qu’ils sont souvent livrés avec des ensembles de sondes de pH obsolètes qui sont montés par le haut du réacteur ou du cristalliseur. Cette conception crée quelques maux de tête :
La production et le perfectionnement du PCAM impliquent des étapes de processus très critiques. Ce webinaire à la demande examine le rôle essentiel du pH et d’autres variables clés du processus dans la détermination de la qualité du PCAM et de la production de batteries Li-ion.
Alors, comment les fabricants peuvent-ils s’attaquer de front à ces défis ? Voici quelques suggestions :
Alors que les sondes de pH avec un diaphragme de référence en céramique tombent rapidement en panne en raison de l’obstruction rapide des pores microscopiques du diaphragme, l’électrolyte de référence en polymère solide de l’InPro 4260i permet une jonction ouverte qui, comme elle est beaucoup plus grande en taille que les pores microscopiques d’un diaphragme en céramique, est beaucoup moins sujette à l’obstruction. Dans une certaine mesure, il est même autonettoyant dans les processus agités. Après des cycles de processus plus longs, il offre une bien meilleure nettoyabilité, et le tartre et l’accumulation de matériau sont facilement éliminés de la jonction.
Ces capteurs fournissent des données de performance en temps réel, ce qui permet d’exécuter la maintenance en fonction des besoins réels plutôt que d’un calendrier établi. Cette approche entièrement prédictive permet d’éviter toute maintenance inutile sans risquer de perturber le processus.
C’est une grande valeur pour l’affectation du personnel et la commande en temps voulu des pièces consommables.
Avec ces systèmes en place, les opérateurs n’ont qu’à remplir les solutions de nettoyage de temps en temps, ce qui les libère pour des tâches plus compliquées. Dans le même temps, les capteurs sont maintenus dans les meilleures conditions et les performances de mesure totales sont maximisées.
METTLER TOLEDO a développé une solution rétractable, latérale et entièrement automatisée. L’EasyClean 500 rétracte automatiquement la sonde de pH du processus, puis la rince, la nettoie et même la recalibre si nécessaire.
« La maintenance est entièrement automatisée, de sorte que les techniciens n’ont qu’à remplir l’acide de nettoyage et les solutions tampons pour l’étalonnage », explique Stefan van der Wal. Grâce à son transmetteur HART alimenté en boucle, l’EasyClean 500 offre de multiples options de programme afin que les capteurs puissent être rincés, nettoyés ou étalonnés automatiquement si nécessaire, ou que la maintenance puisse être effectuée à distance depuis la salle de contrôle via le système de contrôle distribué (DCS).
Les utilisateurs peuvent également donner une commande au système pour rétracter le capteur afin de la vérifier à distance afin de s’assurer que le capteur fournit une mesure précise. « Très honnêtement, dit Stefan, EasyClean 500 est une voie importante vers un matériau actif de cathode de haute qualité. »
Stefan van der Wal est diplômé en gestion industrielle et en génie chimique. Il a plus de 25 ans d’expérience dans le domaine de l’instrumentation de processus et de l’analyse des liquides et des gaz dans les industries de transformation.
En tant que responsable du département Marketing de l’industrie chez METTLER TOLEDO Process Analytics, Stefan a conseillé les plus grandes entreprises mondiales de produits chimiques et de raffinage sur les meilleures pratiques en matière de contrôle des processus industriels. Il est fortement impliqué dans l’ingénierie d’application et le développement de produits et est à l’origine de la conception et de la commercialisation de divers nouveaux produits et technologies d’analyse de processus révolutionnaires.
Découvrez comment un système automatisé de nettoyage de la sonde de pH contribue à améliorer les performances de la batterie.
Dans cet article intitulé Ask the Expert, Stefan van der Wal explique comment la solution innovante de mesure du pH de METTLER TOLEDO pour la fabrication de batteries lithium-ion surmonte les limites conventionnelles.
Alors que nous relevons les défis du contrôle du pH dans le paysage de la fabrication de batteries lithium-ion, il est crucial pour les fabricants de repenser leurs stratégies et la conception de leurs équipements de traitement. En adoptant des technologies de capteurs innovantes et des solutions de maintenance automatisées, les fabricants peuvent améliorer considérablement l’efficacité de la production et la qualité des produits.
Le parcours vers la production de batteries hautes performances peut avoir ses heurts, mais avec les bons outils, vous pouvez aplanir le chemin à venir.
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