Chia sẻ bài viết
Your knowledge take-aways
White paper: Quality control of analytical parameters in lithium-ion battery production
Battery research and production: Positive experiences with top quality Metrohm equipment!
Công nghệ pin đã trải qua một chặng đường dài kể từ khi pin năng lượng mặt trời thô sơ được phát triển hơn hai thế kỷ trước. Cải tiến mang tính đột phá của pin Lithium ion và những cải tiến tiếp theo của nó đã làm tăng khả năng sử dụng và khả năng tiếp cận của thiết bị điện tử, đặc biệt là trong thị trường tiêu dùng. Các thiết bị điện tử trở nên nhỏ gọn hơn, giá cả phải chăng và nhờ có pin sạc hoặc pin thứ cấp, chúng ngày càng trở nên ứng dụng nhiều hơn. Bài viết này sẽ giới thiệu về ứng dụng phương pháp chuẩn độ và sắc ký ion trong nghiên cứu pin Lithium-ion.
Bài viết bao gồm những chủ đề sau:
1. Ứng dụng rộng rãi của pin Lithium-ion trong cuộc sống
Nghiên cứu lưu trữ năng lượng, đặc biệt là pin, hiện đang là một chủ đề nóng và đang được quan tâm hiện nay. Ví dụ: chỉ một thập kỷ trước, máy bay không người lái là lĩnh vực của tổ hợp công nghiệp quân sự và giờ đây, máy bay không người lái gắn máy ảnh được sử dụng phổ biến cho mọi người. Nhờ tuổi thọ pin được cải thiện và các vật liệu tiết kiệm chi phí hơn, máy bay không người lái hiện có mức giá phải chăng cho hầu hết đại chúng.
Pin Lithium-ion được ứng dụng sử dụng rộng rãi tại các thị trường lớn hơn, mang lại nhiều lợi nhuận hơn. Tesla, một thương hiệu đáng chú ý nhờ những đổi mới công nghệ và quan hệ công chúng, mặc dù vẫn chiếm một thị phần nhỏ trên thị trường ô tô nói chung nhưng hiện vẫn đang tăng lên. Thành công của họ đã thách thức các thương hiệu lâu đời khác nhận ra rằng sự thay đổi từ động cơ đốt trong thông thường có thể mang lại lợi nhuận. Volvo và Ford cam kết chạy «hoàn toàn bằng điện» vào năm 2030 [1]. General Motors (GM) đã cam kết không chỉ sản xuất xe điện vào năm 2035 mà còn để hoạt động kinh doanh của giảm thiểu lượng thải carbon vào năm 2040 [2].
Thị trường ô tô là một ví dụ điển hình về một ngành tăng trưởng mạnh mẽ từ sản xuất đến bán hàng và điều này sẽ xảy ra ở nhiều ngành khác khi chính phủ cũng như người tiêu dùng tập trung nhiều hơn vào biến đổi khí hậu và các nguồn năng lượng tái tạo. Nghiên cứu, phát triển và có thể mở rộng sẽ được yêu cầu để biến những chuyển đổi này thành hiện thực và việc tìm kiếm các giải pháp lưu trữ năng lượng cải tiến là trọng tâm của những thay đổi này.
Điện hóa là chìa khóa để khám phá ra kho lưu trữ năng lượng và là kỹ thuật được lựa chọn cho những đổi mới trong tương lai.
2. Chuẩn độ Karl Fischer xác định hàm lượng nước trong nguyên liệu làm pin lithium-ion
Pin lithium-ion được khuyến cáo không có nước (hàm lượng H2O dưới 20 mg/kg), vì nước phản ứng với muối dẫn điện (ví dụ: LiPF6) tạo thành axit hydrofluoric độc hại. Chuẩn độ Karl Fischer điện lượng là phương pháp lý tưởng để xác định hàm lượng nước ở dạng vết. Việc xác định ẩm cho chất rắn được thực hiện bằng phương pháp Karl Fischer lò gia nhiệt – độ ẩm còn lại trong mẫu được bay hơi và chuyển đến cốc chuẩn độ để xác định.
Chuẩn bị mẫu tự động bằng chuân độ Karl Fischer Titrandos
Nguyên tắc làm việc và ưu điểm của phương pháp Karl Fischer lò gia nhiệt được mô tả chi tiết hơn trong bài đăng blog của chúng tôi dưới đây.
Để biết thêm chi tiết về cách thực hiện xác định hàm lượng nước trong các thành phần pin sau, hãy tải xuống Bản tin ứng dụng miễn phí của chúng tôi bên dưới:
- Nguyên liệu thô để sản xuất pin lithium-ion
- Điều chế lớp phủ điện cực (dạng bùn) cho lớp phủ anode và cathode
- Các tấm anode và cathode được phủ cũng như trong các tấm phân tách và trong các lớp tấm được ghép
- Chất điện li cho pin lithium-ion
3. Chuẩn độ điện thế xác định thành phần kim loại chuyển tiếp của vật liệu cathode
Cathode của pin lithium-ion thường được làm từ các oxit kim loại có nguồn gốc từ coban, niken, mangan, sắt hoặc nhôm. Để sản xuất cathode, các dung dịch có chứa muối kim loại mong muốn sẽ được sử dụng. Đối với một quy trình sản xuất được tối ưu hóa, chúng ta cần phải biết thành phần chính xác của các kim loại có trong dung dịch. Ngoài ra, thành phần kim loại trong vật liệu cathode thu được cần được xác định. Chuẩn độ điện thế là một kỹ thuật phù hợp để xác định hàm lượng kim loại trong các dung dịch ban đầu và vật liệu cathode thành phẩm.
Không giống như các phương pháp cạnh tranh như ICP-MS hoặc AAS, chuẩn độ không yêu cầu pha loãng mẫu. Do đó, kết quả thu được bằng cách chuẩn độ đáng tin cậy và chính xác hơn. Hơn nữa, chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn đáng kể so với ICP-MS hoặc AAS.
Các hỗn hợp kim loại hoặc oxit kim loại sau đây có thể được phân tích bằng phương pháp điện thế:
- niken, coban và mangan trong dung dịch
- niken, coban và mangan trong các vật liệu cathode như oxit lithium niken mangan coban (NCM), oxit lithium coban (LCO) hoặc oxit mangan lithium (LMO)
Để biết thêm chi tiết về phép phân tích điện thế của hỗn hợp niken, coban và mangan, hãy tải xuống Ghi chú ứng dụng miễn phí của chúng tôi bên dưới.
Phân tích vật liệu cathode của pin Li-ion làm từ Co, Ni và Mn
4. Chuẩn độ điện thế phân tích muối lithium
Chuẩn độ điện thế cũng là phương pháp phù hợp lý tưởng để xác định độ tinh khiết của muối lithium. Đối với lithium hydroxide (LiOH) và lithium carbonate (Li2CO3), độ tinh khiết được xác định bằng cách sử dụng chuẩn độ axit-base môi trường nước. Bạn cũng có thể xác định tạp chất carbonate trong LiOH bằng phương pháp này.
Để biết thêm chi tiết về việc thực hiện định lượng LiOH và Li2CO3, hãy tải xuống Ghi chú ứng dụng miễn phí của chúng tôi tại đây.
Đối với phép định lượng lithium chloride (LiCl) và lithium nitrate (LiNO3), lithium được chuẩn độ trực tiếp bằng phản ứng kết tủa giữa lithium và fluoride trong dung dịch ethanol. Để biết thêm chi tiết về cách thực hiện định lượng LiCl và LiNO3, hãy tải xuống Ghi chú ứng dụng miễn phí sau đây.
Lithium in brine – Reliable and inexpensive determination by potentiometric titration
Assay of lithium nitrate – Reliable and fully automated determination by potentiometric titration
Sắc ký đồ ion của dòng chế biến quặng lithium (1: lithium, 23,8 g/L; 2: sodium, 1,55 g/L; 3: calcium, 0,08 g/L).
Kiến thức về các cation khác có thể có trong muối lithium (và nồng độ của chúng) cũng được quan tâm. Các cation khác nhau (ví dụ: sodium, ammonium hoặc calcium) có thể được xác định bằng sắc ký ion (IC). IC là một phương pháp xác định đa thông số hiệu quả và chính xác dùng để định lượng các anion và cation trên một phạm vi nồng độ rộng.
Sắc ký đồ trong Hình bên cạnh cho thấy sự phân tách lithium, sodium và calcium trong dòng chế biến quặng lithium.
Để biết thêm thông tin về cách phân tích này được thực hiện, hãy tải xuống Ghi chú ứng dụng miễn phí của chúng tôi tại đây
5. Sắc ký ion xác định thành phần chất điện li
Ion lithium chịu trách nhiệm truyền điện tích trong pin lithium-ion. Lithium hexafluorophosphate (LiPF6) là muối dẫn điện chính. Tuy nhiên, LiPF6 có xu hướng phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc nó có thể phản ứng với lượng vết của nước để tạo thành axit hydrofluoric độc hại. Do đó, muối borat lithium hoặc muối lithium gốc imide được sử dụng làm chất phụ gia để cải thiện hiệu suất của nó. Sắc ký ion (IC) cho phép xác định sự phân hủy các muối lithium khác nhau trong chất điện li. Ngoài ra, IC có thể được sử dụng để phân tích tạp chất ion ở lượng vết. Hơn nữa, bất kỳ bước chuẩn bị mẫu nào có khả năng được yêu cầu (ví dụ: làm giàu mẫu, pha loãng, lọc) có thể được tự động hóa bằng kỹ thuật Chuẩn bị mẫu nội tuyến Metrohm («MISP»).
Để biết thêm thông tin chi tiết về các ứng dụng IC được chọn để nghiên cứu pin, hãy xem Ghi chú ứng dụng của chúng tôi:
