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Aktivkohle für Lithium-Batterien

Aktivkohle spielt bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien eine entscheidende Rolle – sie wird als elektrisch leitfähiger Zusatzstoff, Porenbildner und Substanz zur Reinigung des Elektrolyts eingesetzt, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode erhöht, die Ionenübertragungseffizienz gesteigert und Wasser sowie Verunreinigungen aus dem Elektrolytsystem entfernt werden, wodurch die höchste Effizienz hinsichtlich Energiedichte, Zyklenlebensdauer und Sicherheit der Batterie erreicht wird.
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Lithium-Batterie – Aktivkohle – Titelbild

Was ist Aktivkohle für Lithium-Batterien?

Lithium-Aktivkohle ist eine spezielle Klasse von Aktivkohle, die bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien für eine Vielzahl von Funktionen eingesetzt wird – darunter als leitfähiger Zusatzstoff für Elektroden, als porenbildendes Mittel in einer Elektrodenpastenzusammensetzung und als Medium zur Reinigung des Elektrolyts zur Entfernung von Wasser, Säureverunreinigungen und organische Schadstoffe aus einer elektrolytischen Lösung in Batteriequalität vor dem Zusammenbau der Zelle.

Im Gegensatz zu Aktivkohle für Filter- und Reinigungszwecke werden die für Lithiumzellen bestimmten Qualitäten nach äußerst strengen Anforderungen hergestellt, zu denen die BET-Oberfläche, die elektrische Leitfähigkeit, die Korndurchmesserverteilung, die Feuchtigkeit, die Verunreinigung durch magnetische Partikel sowie Metallverunreinigungen gehören. Jeder einzelne dieser Faktoren hat einen direkten Einfluss auf die Eigenschaften der Batterie – die elektrische Leitfähigkeit, die kinetischen Eigenschaften des Lithium-Ionen-Transports, den Innenwiderstand, die Speicherkapazität, die Zyklenlebensdauer sowie, als entscheidender Punkt, die Wärmeentwicklung und die Sicherheit. Schon eine winzige Menge an Metallverunreinigungen oder Feuchtigkeit in einem ACCC kann einen internen Kurzschluss auslösen, den Kapazitätsverlust beschleunigen oder zu einer Überhitzung in einer fertigen Batteriezelle führen.

Angesichts des rasanten Wachstums im Bereich Elektrofahrzeuge, Stromnetze und der damit verbundenen Anforderungen weltweit steigt der Bedarf an LCI rasant an – wodurch die Auswahl der Materialien und die Qualifizierung der Lieferanten zu einem entscheidenden Schritt bei der Herstellung von Batteriezellen werden.

Die wichtigsten Vorteile von Aktivkohle für Lithium-Batterien

  • Verbesserte Leitfähigkeit der Elektroden und höhere Strombelastbarkeit: Aktivkohle wird sowohl in positiven als auch in negativen Elektroden als Leitmittel eingesetzt, um die elektrische Leitfähigkeit der gesamten Elektrodenmatrix zu erhöhen, den Innenwiderstand zu verringern, die Strombelastbarkeit unter hohen Lade- und Entladebedingungen zu steigern und eine schnellere Ladeleistung bei Elektrofahrzeugen und deren Batterien zu ermöglichen.
  • Optimierter Ionentransport durch kontrollierte Porosität: Aktivkohle in Lithium-Batterien verfügt über eine genau kontrollierte Porenstruktur, die in der Elektrode miteinander verbundene Netzwerke für den Ionentransfer bildet. Dies fördert eine schnelle Diffusion von Lithium-Ionen zur Oberfläche des aktiven Materials, verringert die Konzentrationspolarisation bei hohen Entladungsraten und sorgt für eine gleichbleibende Kapazität über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Batteriezelle.
  • Elektrolytreinigung für mehr Zellsicherheit und eine längere Lebensdauer: Das Aktivkohlebett zur Reinigung des Batterieelektrolyts ist in der Lage, verbleibendes Wasser, HF, organische Schadstoffe sowie gelöste Metallionen zu entfernen, die den Zerfall des Elektrolyten beschleunigen, zur Instabilität der festen Elektrolytschicht (SEI) beitragen und das Risiko eines Wärmeverlusts erhöhen – was direkt zu einer Verbesserung der Sicherheit der fertigen Zelle, des Wirkungsgrads im ersten Zyklus und der langfristigen Zykluslebensdauer führt.
  • Extrem geringer Gehalt an magnetischen Partikeln und Metallverunreinigungen: Eine strenge Kontrolle von Metallverunreinigungen wie Fe, Ni, Cu und anderen Metallverunreinigungen im Bereich von Teilen pro Million verhindert die Bildung eines inneren Kurzschlusses durch Ablagerungen von Metallpartikeln auf der Separatorfolie – eine wichtige Sicherheitsvorschrift für Batterien in Automobilqualität, die gemäß IATF 16949 und gleichwertigen Qualitätskontrollstandards hergestellt werden.
  • Gleichmäßige Partikelgröße für eine einheitliche Aufbereitung der Elektrodensuspension: Eine streng kontrollierte Korngrößenverteilung gewährleistet die rheologischen Eigenschaften der Elektrodenpaste, die Gleichmäßigkeit der Beschichtung sowie die gleichmäßige Elektrodenstärke über den gesamten hohen Durchsatz der Batterieelektrode hinweg.

Herausforderungen der Branche

Verunreinigungen durch Metallpartikel bergen erhebliche Sicherheitsrisiken

Selbst Metallpartikel in einer Konzentration von wenigen Teilen pro Million, wie z. B. Fe, Ni, Cu und andere Metallpartikel in Aktivkohle, können sich auf der Membran der Zelle ablagern, was zu einem inneren Kurzschluss, einem beschleunigten Volumenverlust und einem Wärmeverlust führen kann, was ein inakzeptables Sicherheitsrisiko für eine Lithium-Batterieeinheit für Kraftfahrzeuge darstellt.

Eine gleichbleibende Partikelgröße ist entscheidend für die Ausbeute bei der Elektrodenherstellung

Eine uneinheitliche Korngrößenverteilung der Aktivkohle führt zu einer ungleichmäßigen Viskosität der Elektrodenpaste, zu Beschichtungsfehlern und zu Schwankungen in der Dicke der Elektroden auf der Hochgeschwindigkeits-Beschichtungsanlage – was in einer großen Batteriefertigungsanlage zu einer direkten Verringerung der Produktionsrate, einer Verschlechterung der Zellleistung im Vergleich zu anderen Zellen und einem Anstieg der Kosten für die Qualitätskontrolle führt.

Abwägung zwischen der Steigerung der Leitfähigkeit und der Beladung mit aktivem Material

Die Zugabe von Aktivkohle als elektrisch leitfähiger Zusatzstoff erhöht zwar die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode, beansprucht jedoch Platz und Gewicht, die andernfalls als aktive Kathode oder Anode zur Verfügung stünden. Daher ist es notwendig, den Kohlenstoffgehalt so zu optimieren, dass eine maximale elektrische Leitfähigkeit erreicht wird, ohne dass es zu einer inakzeptablen Verringerung der Energiedichte der fertigen Batteriezelle kommt.

Produktübersicht

Aktivkohle

EN-PB-2000

Spezifische Anwendungsszenarien – Aktivkohle für Lithium-Batterien

Leitfähigkeitsverstärker für Kathodenelektroden

Die Aktivkohle wird – zusammen mit NMC, LFP und NCA – als elektrisch leitfähiger Zusatzstoff in die positive Elektrodensuspension von Lithium-Ionen-Batterien eingebunden, wodurch ein elektrischer Leitungsweg über die gesamte Elektrodenmatrix hinweg hergestellt und aufrechterhalten wird. Aktivkohle verringert den Innenwiderstand einer Elektrode, indem sie eine Lücke zwischen einem Partikel des aktivem Materials mit geringer Leitfähigkeit und einem Stromkollektor überbrückt, erhöht die Strombelastbarkeit bei hohen Lade- und Entladeströmen, verbessert die Kapazitätsausnutzung bei niedrigen Temperaturen und hält die Elektrode bei Volumenänderungen, die mit der Interkalation und Entinterkalation von Lithium zusammenhängen, intakt.

Modifikation von Anodenelektroden und Anwendungen von Hartkohle

Aktivkohle und Hartkohlematerialien auf der Basis von Biomasse, Harz oder Polymervorläufern wurden als Alternative zu Graphit für die Anode einer Lithium-Ionen-Batterie untersucht – insbesondere in Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Zellen der nächsten Generation, bei denen die chaotische Kohlenstoffstruktur von Aktiv- und HartkohlematerialienKohlenstoffmaterialien einen günstigen Ort für die Einlagerung von Natrium- und Lithium-Ionen bietet, und zwar bei einem Potenzial und einer Kapazität, die die Eigenschaften herkömmlicher Graphitanoden ergänzen. Hartkohlenstoff, der durch kontrollierte Aktivierung eines organischen Vorläufers hergestellt wird, entwickelt sich zur bevorzugten Anode für kommerzielle Natrium-Ionen-Batteriezellen.

Reinigung von Batterieelektrolyt

Eine hochreine Batterieelektrolytlösung – in der Regel Lithiumhexafluorophosphat (LiPF), das in einem organischen Carbonat-Lösungsmittel löslich ist – muss gründlich gereinigt werden, um das verbleibende Wasser, die HF-Säure, die gelösten Metallionen sowie die organischen Verunreinigungen zu entfernen, die bei der Synthese und Aufbereitung des Elektrolyts entstehen. Bei einem elektrolytischen Reinigungsprozess wird ein mit Aktivkohle gefülltes Bett oder ein Schlammaufbereitungsschritt eingesetzt, um solche Mikropartikel zu absorbieren, wodurch die chemische Beschaffenheit des Elektrolyts verbessert, die Qualität der festen Elektrolyt-Interphase (SEI) erhöht, der irreversible Kapazitätsverlust im ersten Zyklus verringert und die langfristige Zyklusstabilität der fertigen Lithium-Batteriezelle gesteigert wird.

Elektroden-Porenbildner zur Verbesserung des Ionentransports

Bei bestimmten Elektrodenformulierungen für Lithiumzellen werden mikroaktivierte Kohlenstoffkörner als porenbildendes Element in eine Elektrodenbeschichtung integriert – wodurch in der komprimierten Elektrodenkonfiguration ein kontrolliertes Porennetz entsteht, das das Eindringen von Elektrolyt und die Diffusion von Lithiumionen in die Oberfläche des aktiven Materials tief im Inneren der dicken Elektrode begünstigt. Dieses Verfahren ist besonders wertvoll bei Elektrodenkonstruktionen mit hoher Energiedichte, bei denen eine Erhöhung der aktiven Materialbeladung pro Flächeneinheit zu einer Einschränkung des Ionentransports führt, was die Strömungsrate und die Leistungsfähigkeit des Volumens unter den Bedingungen einer unzureichenden Porenkontrolle der Elektrode verringert.1

Anwendungen von Trennbeschichtungen und Funktionsschichten

Im Bereich Forschung und Entwicklung wird Aktivkohle in eine LiBe-Trennlackierung und in Funktionszwischenschichten integriert, die dazu dienen, gelöste Übergangsmetallionen, Polysulfid-Shuttle-Zwischenprodukte und die Ansammlung von elektrolytischen Zersetzungsprodukten in Zellen zu absorbieren, um den Abbau zu beschleunigen. Die mit Aktivkohle versetzte funktionelle Trennlackierung absorbiert solche Schadstoffe, bevor sie sich auf einer Elektrode oder über eine Trennwand hinweg ablagern und die gegenüberliegende Elektrode verunreinigen können – wodurch die Zyklenlebensdauer verlängert und die Speicherkapazität in einer fortschrittlichen Lithium-Ionen-Zellchemie erhöht wird.

Reinigung von Formationsgas und Elektrolytzusätzen

Während der Einlaufphase einer Lithium-Batteriezelle – einer anfänglichen Lade-/Entladeperiode, in der sich eine SEI-Schicht bildet und die Zelle aktiviert wird – führt die Gasentwicklung durch den Abbau des Elektrolyten und des Restwassers zu einer Ausdehnung der Zelle, einen Volumenverlust sowie einen inneren Druckaufbau, der die Integrität der Zelle gefährdet. Aktivkohle wird in einem Gasaufbereitungssystem einer Batterieproduktionsanlage eingesetzt, um die organischen Lösungsmitteldämpfe, Fluor und giftigen Gase, die im Zuge der Formierungszirkulation und der Elektrolytbefüllung freigesetzt werden, einzufangen und zu entfernen.

Batterie-Recycling und Aufbereitung von Altmaterialien

Angesichts der zunehmenden Zahl von Elektrofahrzeugen und Elektrofahrzeugflotten, die sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern, wird Aktivkohle beim Recycling von Batterien und in der Hydrometallurgie eingesetzt – insbesondere zur Reinigung des Li-, Co-, Ni- und Mn-Stroms aus der Auslaugungslösung der „Black Mass“. Aktivkohle-Absorptionsphase: Entfernung organischer Verunreinigungen, verbleibender elektrodenbindender Verbindungen und Mikroverunreinigungen aus der metallischen Recyclingflüssigkeit.

Unsere Vorteile bei Aktivkohle für Lithium-Batterien

Deutlich verbesserte Leitfähigkeit der Elektroden für eine höhere Leistungsfähigkeit bei hohen Strömen

Aktivkohle in Batteriequalität für Lithiumbatterien, die als leitfähiger Zusatzstoff eingesetzt wird, verbessert die elektrische Leitfähigkeit von Elektroden erheblich. Sie senkt den Innenwiderstand, verbessert die Strombelastbarkeit bei hohen Lade- und Entladeströmen und ermöglicht ein schnelleres Laden in Lithium-Ionen-Batteriezellen für Elektrofahrzeuge und Unterhaltungselektronik.

Extrem geringer Verunreinigungsgehalt für erhöhte Zellsicherheit und längere Lebensdauer

Eine strenge Kontrolle von metallischen Verunreinigungen, magnetischen Partikeln und Feuchtigkeit gemäß den Standards für Batteriequalität verhindert interne Kurzschlüsse, beugt einer Instabilität der SEI vor und senkt das Risiko eines thermischen Durchgehens. Dies steigert unmittelbar die Sicherheitsbewertung der fertigen Batteriezellen, verbessert den coulombischen Wirkungsgrad im ersten Zyklus und erhöht die langfristige Kapazitätserhaltung über die gesamte Lebensdauer der Batterie hinweg.

Präzise Elektrolytreinigung für eine optimierte Zellbildung und -leistung

Hochreine Aktivkohle entfernt vor dem Befüllen der Zellen Restfeuchtigkeit, Flusssäure, gelöste Metalle und organische Verunreinigungen aus den Elektrolytlösungen der Batterien. Dieser Prozess verbessert die chemische Stabilität des Elektrolyts, optimiert die Qualität der SEI-Bildung, verringert den irreversiblen Kapazitätsverlust während der Formierungszyklen und optimiert die Energiedichte sowie die Zyklenlebensdauer der fertigen Lithium-Batteriezellen.

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Die Leistung von Lithium-Batterien hängt in erster Linie von der Auswahl der Aktivkohlesorten ab, die gemäß den strengen Anforderungen an Reinheit, elektrische Leitfähigkeit und Korngröße hergestellt werden, die die Qualitätsstandards für Batteriezellen vorschreiben. Wir verfügen über eine große Auswahl an Aktivkohleprodukten, die sich durch extrem geringe Metallverunreinigungen, eine hohe BET-Oberfläche und genau regulierte Feuchtigkeitswerte auszeichnen – speziell entwickelt für den Einsatz in Elektroden, Elektrolyten und Hartkohle-Anwendungen. Sehen Sie sich unseren vollständigen Katalog an, um die technischen Daten zu vergleichen und die richtige Sorte für Ihre Zellproduktion zu ermitteln.
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Alle Lösungen für die Industrie finden

Die Herstellung von Lithium-Batterien ist einer der wichtigsten Anwendungsbereiche im schnell wachsenden Feld der fortschrittlichen Werkstofftechnik, in dem hochleistungsfähige chemische Werkstoffe einen entscheidenden funktionalen Mehrwert bieten. Unabhängig davon, ob Sie in den Bereichen Energiespeicherung, Wasseraufbereitung, industrielle Gasreinigung, Luftreinhaltung oder Umweltsanierung tätig sind – wir setzen Aktivkohle, Aluminiumoxid, Titandioxid und andere hochentwickelte Werkstoffe ein. Finden Sie die passenden Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren für Ihre spezifischen Anwendungs- und Leistungsanforderungen.
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Verpackungs- und Logistikdienstleistungen

Sichere und individuell anpassbare Verpackung

Die Produkte müssen in einem strapazierfähigen, feuchtigkeitsdichten Beutel oder Großbehälter verpackt werden, um die Sauberkeit und Unversehrtheit während des Transports zu gewährleisten. Maßgeschneiderte Verpackungsoptionen für besondere Anforderungen hinsichtlich Größe und Handhabung.

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In Zusammenarbeit mit zuverlässigen Logistikpartnern bieten wir ein flexibles Liefersystem für See-, Luft- und Landfracht. Schnelle Lieferung und sicherer Transport zu Zielen weltweit.

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Wir bieten spezielle Unterstützung bei der Nachverfolgung und Dokumentation vom Auftragsbestätigung bis zum letzten Versand. Technische und logistische Unterstützung steht zur Verfügung, um den Erfolg der Lieferkette zu gewährleisten.

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