Proces powlekania i wady akumulatorów litowych

Proces powlekania i wady akumulatorów litowych

01

Wpływ procesu powlekania na parametry użytkowe baterii litowych

Powlekanie polarne ogólnie odnosi się do procesu równomiernego powlekania mieszanej zawiesiny kolektora prądu i suszenia rozpuszczalników organicznych w zawiesinie. Efekt powlekania ma znaczący wpływ na pojemność akumulatora, rezystancję wewnętrzną, żywotność cyklu i bezpieczeństwo, zapewniając równomierne pokrycie elektrody. Dobór metod powlekania oraz parametrów kontrolnych ma istotny wpływ na wydajność akumulatorów litowo-jonowych, objawiający się głównie w:

1) Kontrola temperatury suszenia powłoki: Jeżeli temperatura suszenia podczas powlekania jest zbyt niska, nie można zagwarantować całkowitego wyschnięcia elektrody. Jeśli temperatura jest zbyt wysoka, przyczyną może być szybkie odparowanie rozpuszczalników organicznych wewnątrz elektrody, co powoduje pękanie, łuszczenie się i inne zjawiska na powierzchni powłoki elektrody;

2) Gęstość powierzchniowa powłoki: Jeżeli gęstość powierzchniowa powłoki jest zbyt mała, pojemność akumulatora może nie osiągnąć pojemności nominalnej. Jeśli gęstość powierzchniowa powłoki jest zbyt duża, łatwo jest spowodować marnowanie składników. W ciężkich przypadkach, jeśli pojemność elektrody dodatniej jest nadmierna, w wyniku wytrącania się litu utworzą się dendryty litu, przebijając separator akumulatora i powodując zwarcie, stwarzając zagrożenie dla bezpieczeństwa;

3) Rozmiar powłoki: Jeśli rozmiar powłoki jest za mały lub za duży, może to spowodować, że elektroda dodatnia wewnątrz akumulatora nie zostanie całkowicie pokryta elektrodą ujemną. Podczas procesu ładowania jony litu są osadzane z elektrody dodatniej i przemieszczają się do elektrolitu, który nie jest całkowicie pokryty elektrodą ujemną. Rzeczywista pojemność elektrody dodatniej nie może być efektywnie wykorzystana. W ciężkich przypadkach wewnątrz akumulatora mogą tworzyć się dendryty litu, które mogą łatwo przebić separator i spowodować uszkodzenie obwodu wewnętrznego;

4) Grubość powłoki: Jeśli grubość powłoki jest zbyt cienka lub zbyt gruba, będzie to miało wpływ na późniejszy proces walcowania elektrody i nie będzie gwarantować stałej wydajności elektrody akumulatorowej.

Ponadto powłoka elektrody ma ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa akumulatorów. Przed powlekaniem należy wykonać prace 5S, aby podczas procesu powlekania do elektrody nie przedostały się żadne cząstki, zanieczyszczenia, kurz itp. Jeśli jakiekolwiek zanieczyszczenia zostaną zmieszane, spowoduje to mikrozwarcie wewnątrz akumulatora, co w ciężkich przypadkach może doprowadzić do pożaru i eksplozji.

02

Dobór urządzeń i procesu powlekania

Ogólny proces powlekania obejmuje: rozwijanie → łączenie → ciągnięcie → kontrolę naprężenia → powlekanie → suszenie → korekcję → kontrolę naprężenia → korektę → nawijanie i inne procesy. Proces powlekania jest złożony i istnieje również wiele czynników wpływających na efekt powlekania, takich jak dokładność wykonania sprzętu do powlekania, płynność pracy sprzętu, kontrola naprężenia dynamicznego podczas procesu powlekania, wielkość przepływu powietrza podczas proces suszenia i krzywa kontroli temperatury. Dlatego niezwykle ważny jest wybór odpowiedniego procesu powlekania.

Ogólny wybór metody powlekania musi uwzględniać następujące aspekty, w tym: liczbę warstw do pokrycia, grubość mokrej powłoki, właściwości reologiczne cieczy powlekającej, wymaganą dokładność powlekania, nośnik lub podłoże powłoki oraz prędkość powlekania.

Oprócz powyższych czynników należy również wziąć pod uwagę specyficzną sytuację i właściwości powłoki elektrody. Charakterystyka powłoki elektrody akumulatora litowo-jonowego to: ① dwustronna powłoka jednowarstwowa; ② Mokra powłoka szlamu jest stosunkowo gruba (100-300 μm). ③ Zawiesina jest nienewtonowskim płynem o wysokiej lepkości; ④ Wymagania dotyczące precyzji powlekania folią polarną są wysokie, podobne do wymagań powlekania folią; ⑤ Powłoka korpusu nośnego o grubości 10-20 μ Folia aluminiowa i folia miedziana m; ⑥ W porównaniu z szybkością powlekania folią, prędkość powlekania polarną nie jest wysoka. Biorąc pod uwagę powyższe czynniki, w ogólnym sprzęcie laboratoryjnym często stosuje się skrobak, konsumenckie akumulatory litowo-jonowe często wykorzystują typ przenoszenia powłoki wałkiem, a akumulatory mocy często wykorzystują metodę wytłaczania z wąską szczeliną.

Powlekanie zgarniające: Zasada działania pokazana jest na rysunku 1. Podłoże foliowe przechodzi przez wałek powlekający i bezpośrednio styka się ze zbiornikiem na gnojowicę. Nadmiar zaczynu nanosi się na podłoże foliowe. Kiedy podłoże przechodzi pomiędzy wałkiem powlekającym a zgarniaczem, szczelina pomiędzy zgarniaczem a podłożem określa grubość powłoki. Jednocześnie nadmiar zaczynu zostaje zdrapany i podgrzany pod chłodnicą zwrotną, tworząc jednolitą powłokę na powierzchni podłoża. Głównymi typami skrobaków są skrobaki przecinkowe. Zgarniacz przecinkowy jest jednym z kluczowych elementów głowicy powlekającej. Zwykle jest ono obrabiane wzdłuż tworzącej na powierzchni okrągłego wałka, tworząc ostrze przypominające przecinek. Ten typ skrobaka ma wysoką wytrzymałość i twardość, można łatwo kontrolować ilość i dokładność powłoki oraz nadaje się do zawiesin o wysokiej zawartości substancji stałych i wysokiej lepkości.

Typ przenoszenia powłoki wałkiem: Wałek powlekający obraca się, aby napędzać zawiesinę, reguluje ilość przenoszenia zawiesiny przez szczelinę między zgarniaczem przecinkowym i wykorzystuje obrót tylnego wałka i wałka powlekającego, aby przenieść zawiesinę na podłoże. Proces ten pokazano na rysunku 2. Powłoka przenosząca powłokę walcową obejmuje dwa podstawowe procesy: (1) obrót walca powlekającego powoduje przejście zawiesiny przez szczelinę pomiędzy rolkami pomiarowymi, tworząc warstwę zawiesiny o określonej grubości; (2) Pewna grubość warstwy zawiesiny jest przenoszona na folię poprzez obracanie wałka powlekającego i wałka tylnego w przeciwnych kierunkach, aby utworzyć powłokę.

Powlekanie przez wytłaczanie z wąską szczeliną: W przypadku precyzyjnej technologii powlekania na mokro, jak pokazano na rysunku 3, zasada działania polega na tym, że ciecz powlekająca jest wytłaczana i natryskiwana wzdłuż szczelin formy powlekającej pod określonym ciśnieniem i natężeniem przepływu, a następnie przenoszona na podłoże . W porównaniu z innymi metodami powlekania ma wiele zalet, takich jak duża prędkość powlekania, wysoka dokładność i jednolita grubość na mokro; System powłokowy jest zamknięty, co może zapobiegać przedostawaniu się zanieczyszczeń podczas procesu powlekania. Stopień wykorzystania szlamu jest wysoki, a właściwości szlamu są stabilne. Można go nakładać kilkoma warstwami jednocześnie. Może dostosować się do różnych zakresów lepkości zawiesiny i zawartości substancji stałych, a także ma większe możliwości adaptacji w porównaniu z technologią powlekania transferowego.

03

Wady powłok i czynniki wpływające

Redukcja defektów powłoki, poprawa jakości i wydajności powłoki oraz redukcja kosztów w procesie powlekania to ważne aspekty, które należy zbadać w procesie powlekania. Typowymi problemami występującymi w procesie powlekania są gruba główka i cienka końcówka, grube krawędzie po obu stronach, ciemne plamy, chropowata powierzchnia, odsłonięta folia i inne wady. Grubość główki i ogona można regulować za pomocą czasu otwarcia i zamknięcia zaworu powlekającego lub zaworu przerywanego. Problem grubych krawędzi można rozwiązać dostosowując właściwości zaczynu, szczelinę powłoki, natężenie przepływu zaczynu itp. Chropowatość, nierówności i paski powierzchni można poprawić poprzez stabilizację folii, zmniejszenie prędkości, regulację kąta nawiewu powietrza nóż itp.

Podłoże - Gnojowica

Zależność pomiędzy podstawowymi właściwościami fizycznymi zaczynu i powłoki: W rzeczywistym procesie lepkość zaczynu ma pewien wpływ na efekt powlekania. Lepkość przygotowanej zawiesiny zmienia się w zależności od surowców elektrody, proporcji zawiesiny i rodzaju wybranego spoiwa. Gdy lepkość zawiesiny jest zbyt wysoka, powlekanie często nie może być prowadzone w sposób ciągły i stabilny, co ma również wpływ na efekt powlekania.

Na jednorodność, stabilność, efekty krawędziowe i powierzchniowe roztworu powłokowego wpływają właściwości reologiczne roztworu powłokowego, które bezpośrednio decydują o jakości powłoki. Do badania okna powlekania, które stanowi zakres operacji procesu zapewniający stabilną powłokę i uzyskanie jednolitej powłoki, można zastosować analizę teoretyczną, techniki eksperymentalne powlekania, techniki elementów skończonych dynamiki płynów i inne metody badawcze.

Podłoże - Folia miedziana i folia aluminiowa

Napięcie powierzchniowe: Napięcie powierzchniowe miedzianej folii aluminiowej musi być wyższe niż napięcie powierzchniowe powlekanego roztworu, w przeciwnym razie rozwiązanie będzie trudne do rozprowadzenia płasko na podłożu, co spowoduje słabą jakość powłoki. Jedną z zasad, których należy przestrzegać, jest to, że napięcie powierzchniowe pokrywanego roztworu powinno być o 5 dyn/cm niższe niż napięcie podłoża, chociaż jest to jedynie przybliżone oszacowanie. Napięcie powierzchniowe roztworu i podłoża można regulować dostosowując recepturę lub obróbkę powierzchni podłoża. Pomiar napięcia powierzchniowego między nimi należy również uznać za element testu kontroli jakości.

Jednolita grubość: W procesie podobnym do powlekania zgarniającego nierówna grubość powierzchni poprzecznej podłoża może prowadzić do nierównej grubości powłoki. Ponieważ w procesie powlekania grubość powłoki jest kontrolowana przez szczelinę pomiędzy zgarniaczem a podłożem. Jeśli w poziomie grubość podłoża będzie mniejsza, przez ten obszar przepłynie więcej roztworu, a grubość powłoki również będzie większa i odwrotnie. Jeśli na mierniku grubości można zobaczyć wahania grubości podłoża, końcowe wahania grubości powłoki również będą wykazywały to samo odchylenie. Ponadto boczne odchylenie grubości może również prowadzić do wad uzwojenia. Aby więc uniknąć takich wad, ważne jest kontrolowanie grubości surowców

Elektryczność statyczna: Na linii powlekania powstaje duża ilość elektryczności statycznej na powierzchni podłoża podczas nakładania na rolki odwijające i przechodzące przez rolki. Wygenerowana elektryczność statyczna może łatwo adsorbować powietrze i warstwę popiołu na walcu, powodując wady powłoki. Podczas procesu wyładowania elektryczność statyczna może również powodować elektrostatyczne defekty wyglądu powierzchni powłoki, a co ważniejsze, może nawet spowodować pożar. Jeśli zimą wilgotność jest niska, problem z elektrycznością statyczną na linii powlekania będzie bardziej widoczny. Najskuteczniejszym sposobem ograniczenia takich defektów jest utrzymanie możliwie najwyższej wilgotności otoczenia, uziemienie drutu powlekającego i zainstalowanie urządzeń antystatycznych.

Czystość: Zanieczyszczenia na powierzchni podłoża mogą powodować pewne wady fizyczne, takie jak wypukłości, zabrudzenia itp. Dlatego w procesie produkcji podłoży należy dobrze kontrolować czystość surowców. Wałki do czyszczenia membran online są stosunkowo skuteczną metodą usuwania zanieczyszczeń z podłoża. Choć nie wszystkie zanieczyszczenia z membrany da się usunąć, może ona skutecznie poprawić jakość surowców i ograniczyć straty.

04

Mapa defektów biegunów baterii litowych

【1】 Defekty pęcherzykowe w powłoce elektrody ujemnej akumulatorów litowo-jonowych

Płytka elektrody ujemnej z bąbelkami na lewym zdjęciu i 200-krotne powiększenie skaningowego mikroskopu elektronowego na prawym zdjęciu. Podczas mieszania, transportu i powlekania pył lub długie kłaczki i inne ciała obce mieszają się z roztworem powlekającym lub opadają na powierzchnię mokrej powłoki. Na napięcie powierzchniowe powłoki w tym miejscu wpływają siły zewnętrzne, powodując zmiany sił międzycząsteczkowych, co skutkuje łagodnym przenoszeniem zawiesiny. Po wyschnięciu tworzą się okrągłe ślady z cienkim środkiem.

【2】 Otworkowa

Jednym z nich jest powstawanie pęcherzyków (proces mieszania, proces transportu, proces powlekania); Wada otworkowa spowodowana przez pęcherzyki jest stosunkowo łatwa do zrozumienia. Pęcherzyki w mokrej folii migrują z warstwy wewnętrznej na powierzchnię folii i pękają na powierzchni, tworząc defekt typu pinhole. Pęcherzyki powstają głównie w wyniku słabej płynności, złego wypoziomowania i słabego uwalniania pęcherzyków podczas mieszania, transportu cieczy i procesów powlekania.

【3】 Zadrapania

Możliwe przyczyny: Ciała obce lub duże cząstki utknęły w wąskiej szczelinie lub szczelinie powłoki, zła jakość podłoża, powodując, że ciała obce blokują szczelinę powłoki pomiędzy wałkiem powlekającym a wałkiem tylnym oraz uszkodzenie krawędzi formy.

【4】 Gruba krawędź

Przyczyną powstawania grubych krawędzi jest napięcie powierzchniowe zaczynu, które powoduje migrację zaczynu w kierunku niepowlekanej krawędzi elektrody, tworząc po wyschnięciu grube krawędzie.

【5】 Zagregowane cząstki na powierzchni elektrody ujemnej

Formuła: Grafit sferyczny + SUPER C65 + CMC + woda destylowana

Makromorfologia polaryzatorów z dwoma różnymi procesami mieszania: gładką powierzchnią (po lewej) i obecnością dużej liczby małych cząstek na powierzchni (po prawej)

Formuła: grafit sferyczny + SUPER C65 + CMC/SBR + woda destylowana

Powiększona morfologia małych cząstek na powierzchni elektrody (aib): Agregaty środków przewodzących, niecałkowicie rozproszone.

Powiększona morfologia polaryzatorów o gładkiej powierzchni: Środek przewodzący jest całkowicie rozproszony i równomiernie rozprowadzony.

【6】 Aglomerowane cząstki na powierzchni elektrody dodatniej

Formuła: NCA + czerń acetylenowa + PVDF + NMP

Podczas procesu mieszania wilgotność otoczenia jest zbyt wysoka, co powoduje, że zawiesina staje się galaretowata, środek przewodzący nie jest całkowicie rozproszony, a po walcowaniu na powierzchni polaryzatora znajduje się duża liczba cząstek.

【7】 Pęknięcia w płytach polarnych instalacji wodnej

Formuła: NMC532/sadza/spoiwo=90/5/5% wag., woda/rozpuszczalnik izopropanol (IPA)

Zdjęcia optyczne pęknięć powierzchniowych polaryzatorów o gęstościach powłok odpowiednio (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 i (d) 25 mg/cm2. Grube polaryzatory są bardziej podatne na pęknięcia.

【8】 Skurcz na powierzchni polaryzatora

Formuła: grafit płatkowy+SP+CMC/SBR+woda destylowana

Obecność cząstek zanieczyszczeń na powierzchni folii skutkuje niskim napięciem powierzchniowym mokrej warstwy na powierzchni cząstek. Ciekła warstwa wydziela się i migruje w kierunku obrzeża cząstek, tworząc defekty punktu skurczu.

【9】 Zadrapania na powierzchni elektrody

Wzór: NMC532+SP+PVdF+NMP

Powłoka metodą wytłaczania wąskich szwów, z dużymi cząstkami na krawędzi tnącej powoduje wyciek folii i zarysowania powierzchni elektrody.

【10】 Powłoka pionowych pasków

Wzór: NCA+SP+PVdF+NMP

W późniejszym etapie powlekania transferowego lepkość absorpcji wody przez zaczyn wzrasta, zbliżając się do górnej granicy okna powlekania podczas powlekania, co powoduje słabe wyrównanie zaczynu i powstawanie pionowych pasów.

【11】 Podczas walcowania powstają pęknięcia w miejscach, gdzie folia polarna nie jest całkowicie wysuszona

Formuła: grafit płatkowy+SP+CMC/SBR+woda destylowana

Podczas powlekania środkowa część polaryzatora nie jest całkowicie sucha, a podczas walcowania powłoka migruje, tworząc pęknięcia w kształcie pasków.

【12】 Zmarszczki krawędziowe powstałe podczas prasowania wałkiem polarnym

Zjawisko grubych krawędzi powstałych w wyniku powlekania, prasowania walcowego i marszczenia krawędzi powłok

【13】 Powłoka tnąca elektrodą ujemną oderwana od folii

Formuła: grafit naturalny+czerń acetylenowa+CMC/SBR+woda destylowana, zawartość substancji aktywnych 96%

Po przecięciu dysku polarnego powłoka i folia odrywają się.

【14】 Zadziory do cięcia krawędzi

Podczas cięcia tarczy elektrody dodatniej niestabilna kontrola napięcia prowadzi do powstawania zadziorów folii podczas cięcia wtórnego.

【15】 Krawędź fali tnącej plasterka polarnego

Podczas cięcia tarczy elektrody ujemnej, na skutek niewłaściwego zachodzenia na siebie i docisku ostrzy tnących, powstają krawędzie fal i odrywanie się powłoki nacięcia.

【16】 Inne typowe wady powłok obejmują infiltrację powietrza, falowanie boczne, zwiotczenie, strumyk, ekspansję, uszkodzenia spowodowane przez wodę itp.

Wady mogą wystąpić na każdym etapie przetwarzania: przygotowaniu powłoki, produkcji podłoża, działaniu podłoża, obszarze powlekania, obszarze suszenia, cięciu, rozcinaniu, procesie walcowania itp. Jaka jest ogólna logiczna metoda rozwiązywania defektów?

1. W procesie od produkcji pilotażowej do produkcji należy zoptymalizować formułę produktu, proces powlekania i suszenia oraz znaleźć stosunkowo dobre lub szerokie okno procesowe.

2. Stosować pewne metody kontroli jakości i narzędzia statystyczne (SPC) w celu kontrolowania jakości produktów. Monitorując i kontrolując stabilną grubość powłoki online lub korzystając z systemu kontroli wyglądu wizualnego (Visual System) w celu sprawdzenia wad na powierzchni powłoki.

3. W przypadku wystąpienia wad produktu dostosuj proces w odpowiednim czasie, aby uniknąć powtarzających się wad.

05

Jednolitość powłoki

Tak zwana równomierność powłoki odnosi się do spójności rozkładu grubości powłoki lub ilości kleju w obszarze powłoki. Im lepsza konsystencja grubości powłoki lub ilość kleju, tym lepsza jednorodność powłoki i odwrotnie. Nie ma jednolitego wskaźnika pomiaru jednorodności powłoki, który można zmierzyć poprzez odchylenie lub procentowe odchylenie grubości powłoki lub ilości kleju w każdym punkcie określonego obszaru w stosunku do średniej grubości powłoki lub ilości kleju w tym obszarze, lub poprzez różnica pomiędzy maksymalną i minimalną grubością powłoki lub ilością kleju w danym obszarze. Grubość powłoki jest zwykle wyrażana w µm.

Jednorodność powłoki służy do oceny ogólnego stanu powłoki na danym obszarze. Ale w rzeczywistej produkcji zwykle bardziej dbamy o jednorodność podłoża zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym. Tak zwana jednorodność pozioma odnosi się do równomierności kierunku szerokości powłoki (lub kierunku poziomego maszyny). Tak zwana jednorodność wzdłużna odnosi się do jednorodności w kierunku długości powłoki (lub kierunku przesuwania się podłoża).

Istnieją znaczne różnice w wielkości, czynnikach wpływających i sposobach kontroli błędów poziomego i pionowego nakładania kleju. Ogólnie rzecz biorąc, im większa szerokość podłoża (lub powłoki), tym trudniej jest kontrolować jednorodność poprzeczną. Bazując na wieloletnim praktycznym doświadczeniu w powlekaniu online, gdy szerokość podłoża jest mniejsza niż 800 mm, zwykle można łatwo zagwarantować jednorodność poprzeczną; Gdy szerokość podłoża wynosi 1300-1800 mm, często można dobrze kontrolować równomierność poprzeczną, ale wiąże się to z pewnymi trudnościami i wymagany jest znaczny poziom profesjonalizmu; Gdy szerokość podłoża przekracza 2000 mm, kontrolowanie jednorodności bocznej jest bardzo trudne i tylko nieliczni producenci sobie z tym dobrze radzą. Gdy partia produkcyjna (tj. długość powłoki) wzrasta, jednorodność wzdłużna może stać się większą trudnością lub wyzwaniem niż jednorodność poprzeczna.