Технология на батериите Ролята на лабораторните мелници в изследванията, производството, контрола на качеството и рециклирането на батерии
От първоначалните изследвания до производството, осигуряването на качеството и процесите на рециклиране, лабораторните мелници на RETSCH са от решаващо значение на всеки етап от веригата за създаване на стойност в производството на батерии. Топковите мелници са инструментални в научноизследователската и развойна дейност в областта на батериите, играейки важна роля в иновациите на нови системи за материали за батерии.
Гига фабрики, съоръжения за рециклиране и тестови лаборатории разчитат на мелниците на RETSCH за хомогенизиране на компонентите на батериите и материалите за батерии, подготвяйки ги за цялостен анализ на качеството. RETSCH предлага гама от решения, включващи първоначално раздробяване, фино смилане, разделяне на пробите и анализ на размера на частиците чрез пресяване.
Applications for battery technology
Read how RETSCH’s crushers, mills and sieve shakers are used for pulverization and size analysis of basic materials, components and recycling fractions.
Unlocking the potential: The role of ball mills in battery technology
This paper provides a comprehensive overview of the general use of ball mills and their application in battery technology. It covers the wide range of ball mill applications throughout the battery manufacturing process, from raw materials to recycling. The benefits of using ball mills are illustrated by ten specific application examples taken from research and quality control. Specific information on the details of the grinding process is provided to give an in-depth understanding of ball mill technology.
Намаляване на размера на частиците в материалите на батериите
Размерът на частиците и разпределението на размера на частиците на активните материали значително определят цялостната производителност на батерията, като капацитет, плътност на мощността, капацитет на скоростта, енергийна плътност, стабилност на жизнения цикъл и безопасност. Мелниците за проби RETSCH се използват за намаляване на размера на частиците на суровини като никел, манган, кобалт, литий-съдържащи материали или графит, или за деагломерация на активни електродни материали.
Particle size reduction of silicon
Particle size reduction of LPS under controlled atmosphere and temperature
Particle size reduction of graphite through wet grinding
Смесване и нанасяне на покритие върху материали за батерии
Производството на батерии включва широк спектър от процеси на смесване и нанасяне на покритие. За смесване обикновено се използва разнообразно оборудване, като бъркалки и вихрови миксери; топкови мелници също могат да бъдат подходящи, особено в изследователски условия. Непрекъснатото движение на пробния материал в топкова мелница, независимо от нивото на вложена енергия или наличието на топки, води до отлични резултати при смесване и нанасяне на покритие.
Смесване
Топковите мелници са подходящи както за мокро смесване на суспензии, така и за сухо смесване на насипни материали. Пример за процес на сухо смесване е производството на активни катодни материали, което изисква прецизно стехиометрично смесване на сухи съставки. Процесите на мокро смесване, като например производството на електродна суспензия, включват изследване на фактори като състав на материала, интензитет на смесване, температурни колебания, промени във вискозитета и последователността на добавяне на химикали към суспензията.
Смесителните мелници RETSCH предлагат пълен контрол върху параметри като вложена енергия, време и температура. Освен това, те предоставят избор от материали и размери на бурканите, възможност за работа в инертни условия и възможност за едновременна обработка на множество проби.
Покритие
Процесът на нанасяне на покритие в топкова мелница се основава на два основни принципа: постигане на хомогенна смес от два материала и механично покриване на частиците. Това се постига чрез генериране на ударни ефекти, които улесняват адхезията на покриващия материал към повърхността на частиците.
Използват се както мокри, така и сухи методи за нанасяне на покритие, за да се подобри производителността на електродите на батериите. Например, в литиево-йонните батерии силициевите частици могат да получат полимерно покритие, за да се подобри цикличната стабилност, или LNMO частиците могат да бъдат обвити в керамичен слой, за да се увеличи скоростта на зареждане. В случая на цинково-въздушни батерии, анодните частици са покрити с берилиево стъкло, за да се подобри презареждаемостта.
Топковите мелници RETSCH се открояват от другите технологии за нанасяне на покрития, като предоставят лесно, рентабилно и лесно мащабируемо решение.
Синтез на нови материали за батерии
Mechanochemical synthesis has become particularly popular in the field of battery technology, where it is used to produce innovative electrolytes, separators or multiphase composites of high purity or to optimize their microstructure. For example, synthesizing novel solid electrolytes through a solvent-free process or improving their performance and stability. Another application is in environmentally-friendly recycling reactions such as the mechanochemical reduction of cathode material for lithium-ion batteries. All types of ball mills are suitable for mechanical synthesis. The chemicals involved are typically air-sensitive and expensive, so batch processing in small-cavity jars - as available for RETSCH Mixer Mills - is advantageous.
Process control with GrindControl
Мониторингът на температурата и налягането е от решаващо значение при разработването на материали за батерии, за да се осигурят оптимални условия за поддържане на целостта на материала. Тези параметри влияят върху физичните и химичните свойства на материалите и пряко влияят на тяхната производителност. Точният контрол на тези условия е от съществено значение за постигане на постоянни резултати и за успешно мащабиране на производствените процеси. Предлагат се специални капаци за измерване на температурата и налягането вътре в съда.
RAMAN Spectroscopy with Mixer Mills
Смесителните мелници са особено подходящи за in-situ RAMAN спектроскопия, което позволява детайлно изучаване на кинетиката на механохимичните реакции. MM 400 е оборудвана с подвижна долна плоча, която има два отвора, през които RAMAN спектрометърът сочи към дъното на прозрачните PMMA смилащи буркани. Мелницата предлага време за обработка до 99 часа.
Working under inert atmospheres
The usual process for handling atmosphere-sensitive materials is to fill and open the jars in the glove box. Aeration lids can also be used to control or change the atmosphere in the closed jar. It is also possible to house a complete planetary ball mill in a glove box.
Рециклиране на батерии в лабораторен мащаб
1. Shredding
При рециклирането, раздробяването на цели или разглобени батерии е една от първите стъпки. В изследователските процеси за разработване на нови пътища за рециклиране, дребномащабното раздробяване се извършва с помощта на режещи мелници RETSCH.
Cylindrical cells
Pouch cells
Lightweight or heavy fraction
2. Fractionation with sieving machines
Sieving machines like RETSCH's AS 200 series are suitable for the separation of different material fractions, for example black mass, polymeric and metallic parts.
3. Sample preparation of recycling fractions
In both research projects and established large-scale recycling operations, analyzing the chemical composition of recycled material fractions is essential. Due to the inhomogeneous nature of these materials, they require mechanical processing and pulverization into fine powders for accurate analysis. Specifically, polymer fractions must be ground to facilitate microwave digestion and ICP-MS analysis, enabling the quantification of residual metals like lithium, cobalt, nickel, and manganese. Moreover, the market value of the black fraction is influenced by its concentration of valuable metals, such as lithium and cobalt. To ensure reliable sample preparation, RETSCH offers a comprehensive selection of mills suited for both pre-crushing and fine grinding tasks.
Housing parts
SM300
60 mm / <4 mm
Polymeric foil
CryoMill
10 mm / <800 µm
Metal foil
MM 500 control
15 mm / <800 µm
Black mass
MM 400
2 mm / <300 µm
Различни материални фракции от процес на рециклиране, преди и след хомогенизиране за последващ анализ за определяне на чистотата и пазарната стойност.
Подготовка на проби от батерии за анализ
Обикновено аналитичното характеризиране на материалите изисква само малко количество, вариращо от няколко грама до милиграми. Без правилна подготовка на пробата, резултатите от анализа няма да бъдат значими. За да се гарантират надеждни резултати, пробата трябва да бъде наистина представителна, което означава, че нейният състав трябва да отразява целия изходен материал. Това налага щателна механична хомогенизация, за да се елиминират нееднородностите чрез смилане и смесване преди вземане на пробата. Освен това е изключително важно да се избягва въвеждането на каквито и да е замърсители в материала по време на подготовката на пробата, тъй като това би могло да фалшифицира резултатите.
Подготовка на проби за рентгенови техники
- съдържание на никел в латеритни руди
- примеси като желязо в силициевия суров материал
- степен на графитизация
- остатъци от благородни метали в рециклираната полимерна фракция
За рентгенова флуоресцентна спектроскопия пробите обикновено трябва да бъдат смелени до размер на частиците 100 µm. За първоначално раздробяване се използват челюстни трошачки и разделители на проби, последвано от фино смилане в топкова или дискова мелница. Накрая се пресова пелета, за да се получи компактна проба с висока концентрация на елементи и гладка повърхност, осигурявайки оптимална рентгенова детекция.
Sample of manganese oxide before and after the milling process in the PM 100. For XRF analysis the sample is pressed into a pellet.
За рентгенова дифракция (XRD) са необходими по-деликатен метод на смилане и още по-фини размери на частиците, за да се запази кристалната решетка на пробата. XRD-McCrone Mill е идеално подходяща за тази цел.
Copper ore sample in its original state (left), pre-crushed in a jar crusher (middle) and prepared with XRD-Mill McCrone for the analysis of molecular structure with X-ray diffraction.
Вижте нашия интерактивен тематичен плакат с кратки видеоклипове за подготовка на проби за XRF/XRD.
Продукти на Retsch за подготовка на проби за рентгенофлуоресцентен анализ
Приготвяне на проби от батерийни материали с метални компоненти
Анализът на материалите на анодите и катодите е основен елемент от контрола на качеството и изследванията. Разбирането на състава, структурата и свойствата на тези ключови компоненти е от съществено значение за оптимизиране на производителността, капацитета и живота на батерията.
В литиево-йонната батерия електродът се състои от покритие от активен материал (метален оксид или въглеродно съединение) върху токоприемник (алуминий или мед). Поради металния компонент, раздробяването на електродите е предизвикателство. Подобни смеси от материали от електроден прах и метални компоненти се срещат в процесите на рециклиране. Големи проби могат да бъдат пулверизирани с помощта на режеща мелница. За фино смилане, топковото смилане може да бъде опция. Трябва обаче да се помни, че топковите мелници не раздробяват, а са склонни да сплескват металните частици. Праховете, съдържащи метални частици, обаче могат да бъдат пулверизирани до известна степен, особено когато се прилага криогенно смилане.
Приготвяне на проби от полимерни материали
Полимерите, използвани в компонентите на батериите, имат специфични изисквания за механична и термична устойчивост; следователно, анализът на техния химичен състав е от съществено значение, за да се разберат техните ограничения и да се формулира подходящ състав. Режещите мелници се използват за първоначално раздробяване на макроскопични полимерни части, обикновено последвано от пулверизация в топкова мелница. И в двата случая може да се наложи пробата да се направи крехка в течен азот, за да се осигури ефективно пулверизиране.
CryoKit улеснява ръчното замразяване преди топково смилане. Освен това RETSCH предоставя мелници, оборудвани с интегрирана охладителна система, като например CryoMill и Осцилираща топкова мелница MM500 control. Тези лабораторни топкови мелници са проектирани специално за смилане на еластични материали при криогенни условия. По време на този процес пробата се охлажда до изключително ниски температури, докато мелницата активно поддържа смилащия буркан при постоянна температура от -196°C, осигурявайки ефикасно и ефективно смилане.
Полимерна проба, приготвена с CryoKit
Полимерна проба, приготвена с CryoMill
Полимерна проба, приготвена с MM 500 control
3. Sample preparation of recycling fractions
In both research projects and established large-scale recycling operations, analyzing the chemical composition of recycled material fractions is essential. Due to the inhomogeneous nature of these materials, they require mechanical processing and pulverization into fine powders for accurate analysis. Specifically, polymer fractions must be ground to facilitate microwave digestion and ICP-MS analysis, enabling the quantification of residual metals like lithium, cobalt, nickel, and manganese. Moreover, the market value of the black fraction is influenced by its concentration of valuable metals, such as lithium and cobalt. To ensure reliable sample preparation, RETSCH offers a comprehensive selection of mills suited for both pre-crushing and fine grinding tasks.
Housing parts
SM300
60 mm / <4 mm
Polymeric foil
CryoMill
10 mm / <800 µm
Metal foil
MM 500 control
15 mm / <800 µm
Black mass
MM 400
2 mm / <300 µm
Различни материални фракции от процес на рециклиране, преди и след хомогенизиране за последващ анализ за определяне на чистотата и пазарната стойност.
Избор на най-подходящата мелница
Лабораторните мелници RETSCH са отличен избор за приложения в изследванията на батерии и за механична подготовка на проби преди анализ. Изчерпателното портфолио, включващо челюстни трошачки, роторни мелници, режещи мелници, ножови мелници, топкови мелници, мелачки за хоросан и спомагателни устройства, предлага изключителна гъвкавост и лекота на използване.
Топковите мелници RETSCH, например, са проектирани да отговарят на изискванията на научните изследвания. Те могат да работят в ръкавична камера и позволяват работа в контролирана атмосфера, с капаци за аериране и устройство за безопасно затваряне, за да се осигури сигурно транспортиране на смилащите буркани. За да се управляват термичните условия по време на процеса на смилане, някои модели предлагат контрол на температурата. Топковите мелници са подходящи за различни размери и материали на буркани.
RETSCH предлага изчерпателни съвети за избор на най-доброто оборудване за конкретно приложение. За да се улесни процесът на избор, характеристиките и силните страни на всеки модел топкова мелница са визуализирани в графика. В примерите по-долу е лесно да се види, че Планератна топкова мелница PM 300 предлага предимства по отношение на мощност, крайна финост и максимален обем на буркана в сравнение с контролера Осцилираща топкова мелница MM 500 control, което от своя страна предлага по-лесно боравене, гъвкавост и възможност за контрол на температурата по време на процеса.
Лабораторни топкови мелници с активен контрол на температурата
Обработката на материали в топкови мелници често генерира високи температури, надвишаващи 80°C, което може да повлияе негативно на процеса при работа с температурно чувствителни проби. Може да се наложи охлаждане или дори замразяване на пробните материали, за да се улесни намаляването на размера, да се предотврати агломерацията, да се запази целостта на пробата за последващ анализ или да се контролират механохимичните реакции. Повишаването на температурата се дължи главно на ефектите на удар и триене в буркана и се влияе от дизайна на мелницата и способността ѝ да разсейва топлината. RETSCH отчита тези фактори, като предлага топкови мелници с опции за активен контрол на температурата, за да поддържа ниски температури в буркана по време на смилане или да замразява пробите за крехкост.
EMAX
MM 500 Control
CRYOMILL
Emax е оборудван с интегрирана система за охлаждане и предлага функционалност за задаване на максимална температура, което води до автоматични прекъсвания на охлаждането по време на работа.
MM 500 control непрекъснато охлажда бурканите по време на работа с термофлуиди като вода, гликол или течен азот. По този начин може да се постигне минимална температура от -100 °C, а също така е възможно бурканите да се нагряват.
Криомелницата CryoMill разполага с интегрирана охладителна система, която непрекъснато охлажда шлифовъчния съд с течен азот преди и по време на процеса на смилане за максимално охлаждане до -196°C.
VERDER SCIENTIFIC Solutions
True to our guiding principle ENABLING PROGRESS, Verder Scientific can assist you in the development, production and recycling of batteries. Under our umbrella we combine the know-how of five renowned developers and manufacturers of scientific equipment:
CARBOLITE, ELTRA, QATM, RETSCH and MICROTRAC are among the leading specialists in their respective fields of activity which are Heat Treatment, Elemental Analysis, Materialography & Hardness Testing, Milling & Sieving and Particle Characterization.
Contact us for a free consultation
Продуктите и услугите на RETSCH се предлагат чрез глобална мрежа от дъщерни компании и напълно обучени дистрибутори. Нашият персонал ще се радва да ви помогне при всяко запитване.
Технология на батериите - FAQ
What is the role of RETSCH laboratory mills in battery research and production?
RETSCH laboratory mills are crucial at every stage of the battery production value chain, from initial research through to manufacturing, quality assurance, and recycling processes. Especially ball mills play a significant role in the innovation of new battery material systems.
Are RETSCH mills suitable for grinding battery materials?
Yes, RETSCH mills are highly suitable for grinding battery materials, especially given the advanced options they offer for working under inert atmospheres, temperature control and cryogenic conditions. They are used for particle size reduction in mechanical synthesis, mixing processes and sample preparation. RETSCH's comprehensive range of mills is also employed in battery recycling through small-scale shredding or sample preparation for analysis. These capabilities make RETSCH mills highly adaptable and effective for the specific requirements of battery material processing.
How are RETSCH mills employed in battery recycling on a lab scale?
For battery recycling, RETSCH offers solutions that include shredding complete or disassembled batteries, fractionation with sieving machines, and sample preparation of recycling fractions for chemical analysis.
How do RETSCH laboratory mills contribute to battery research and materials science?
RETSCH offers laboratory mills and sieving machines designed for the development, analysis, and recycling of battery materials. Our equipment facilitates mechanochemical synthesis, precise particle size reduction, and effective mixing and coating processes. Features like inert atmosphere capability, temperature control options, and process monitoring with GrindControl cater to the specific needs of battery technology research. Additionally, RETSCH provides expert consultation and access to application laboratories, helping researchers select the right tools for their studies.
Приложени доклади
Customized silicon particle sizes for li-ion batteries
Silicon is gaining increasing importance as an anode material for Li ion batteries. Its exceptionally high specific capacity of about 3,600 mAh/g allows it to store roughly ten times more lithium ions than conventional graphite. This potential makes silicon a key material for anodes or as an additive in carbon–silicon composite anodes. A crucial factor for the performance of Li ion batteries is the particle size of the silicon: it significantly influences the electrochemical behavior, cycle stability, and service life of the anode. For battery applications, silicon particles are therefore specifically adjusted to sizes ranging from a few micrometers down to the sub micrometer and nanometer scale.
From Graphite Powder to Graphite Power
Graphite plays a vital role as an electrode material in batteries, fuel cells, capacitors, and numerous industrial applications such as lubricants, conductive coatings, and composites. In battery technology, graphite particle size is a key determinant of battery capacity, cycle life, rate capability, and overall performance. Optimizing particle size and distribution is therefore critical for battery design and manufacturing. This joint report combines the expertise of Retsch, Microtrac, and Sugino to provide a comprehensive overview of graphite grinding, dispersion, and particle size analysis - supporting a deeper understanding of the entire process chain from milling and dispersion to analytical evaluation.
How Cyclone Separators Redefine Efficiency and Cleanliness in the Lab
Cyclone separators deliver substantial benefits when used with mills in laboratory settings. While cutting mills or rotor mills are already frequently operated with a cyclone, also jaw crushers and disc mills benefit greatly from this setup. By using a cyclone, it is even possible to combine two mills directly: for example, a two-stage grinding process with a jaw crusher and a disc mill can be completed in a single step.
Unlocking the potential: The role of ball mills in battery technology
This paper provides a comprehensive overview of the general use of ball mills and their application in battery technology. It covers the wide range of ball mill applications throughout the battery manufacturing process, from raw materials to recycling. The benefits of using ball mills are illustrated by ten specific application examples taken from research and quality control. Specific information on the details of the grinding process is provided to give an in-depth understanding of ball mill technology.
Mechanochemische Aktivierung von Ruß
Orion ist ein weltweit führender Hersteller von Industrierußen (Carbon Black), die in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden. Ein bedeutendes Einsatzgebiet ist die Verwendung als Additiv in Lithium-Ionen-Batterien, um die elektrische Leitfähigkeit und Batterieleistung zu verbessern sowie die Lebensdauer zu verlängern. Um diese Anwendung im Detail untersuchen und Ruße gezielt für ihre Applikation optimieren zu können, hat Orion ein eigenes Batterielabor im Unternehmen aufgebaut.
Modernes Batterierecycling
Die Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe ist in Zeiten steigender Nachfrage und knapper Ressourcen wichtiger denn je. Im Zuge des Ausbaus der Elektromobilität werden künftig große Mengen alter Autobatterien auf eine sinnvolle Verwendung warten. Lesen Sie, wie moderne Aufbereitungsund Analysentechniken dabei helfen können, das Batterierecycling zukunftssicher zu gestalten.