Proces povlakování a vady lithiových baterií

Proces povlakování a vady lithiových baterií

01

Vliv procesu povrchové úpravy na výkon lithiových baterií

Polární povlak obecně označuje proces rovnoměrného nanášení míchané suspenze na sběrač proudu a sušení organických rozpouštědel v suspenzi. Efekt povlaku má významný dopad na kapacitu baterie, vnitřní odpor, životnost cyklu a bezpečnost, což zajišťuje rovnoměrné pokrytí elektrody. Výběr metod povlakování a kontrolní parametry mají významný vliv na výkon lithium-iontových baterií, což se projevuje zejména v:

1) Kontrola teploty sušení pro potahování: Pokud je teplota sušení během potahování příliš nízká, nemůže zaručit úplné vysušení elektrody. Pokud je teplota příliš vysoká, může to být způsobeno rychlým odpařováním organických rozpouštědel uvnitř elektrody, což má za následek praskání, odlupování a další jevy na povrchovém povlaku elektrody;

2) Hustota povrchu povlaku: Pokud je hustota povrchu povlaku příliš malá, kapacita baterie nemusí dosáhnout jmenovité kapacity. Pokud je povrchová hustota povlaku příliš vysoká, je snadné způsobit plýtvání přísadami. V závažných případech, pokud je nadměrná kladná kapacita elektrody, se v důsledku srážení lithia vytvoří lithiové dendrity, které propíchnou separátor baterie a způsobí zkrat, což představuje bezpečnostní riziko;

3) Velikost povlaku: Pokud je velikost povlaku příliš malá nebo příliš velká, může to způsobit, že kladná elektroda uvnitř baterie nebude zcela pokryta zápornou elektrodou. Během nabíjecího procesu se ionty lithia usazují z kladné elektrody a pohybují se do elektrolytu, který není zcela pokryt zápornou elektrodou. Skutečnou kapacitu kladné elektrody nelze efektivně využít. V závažných případech se mohou uvnitř baterie tvořit lithiové dendrity, které mohou snadno prorazit separátor a způsobit poškození vnitřního obvodu;

4) Tloušťka povlaku: Pokud je tloušťka povlaku příliš tenká nebo příliš silná, ovlivní to následný proces válcování elektrody a nemůže zaručit konzistentní výkon elektrod baterie.

Kromě toho má povlak elektrod velký význam pro bezpečnost baterií. Před nanesením povlaku je třeba provést práci 5S, aby se zajistilo, že se do elektrody během procesu povlakování nepřimíchají žádné částice, úlomky, prach atd. Pokud se nějaké nečistoty smísí, způsobí to mikrozkrat uvnitř baterie, což může ve vážných případech vést k požáru a výbuchu.

02

Výběr lakovacího zařízení a proces lakování

Obecný proces potahování zahrnuje: odvíjení → spojování → tažení → kontrola napětí → potahování → sušení → korekce → kontrola napětí → korekce → navíjení a další procesy. Proces nanášení je složitý a existuje také mnoho faktorů, které ovlivňují účinek nátěru, jako je přesnost výroby nátěrového zařízení, plynulost provozu zařízení, kontrola dynamického napětí během procesu nátěru, velikost proudění vzduchu během procesu nátěru. proces sušení a křivka regulace teploty. Proto je výběr vhodného procesu nátěru nesmírně důležitý.

Obecný výběr metody potahování musí vzít v úvahu následující aspekty, včetně: počtu vrstev, které mají být potaženy, tloušťky mokrého nátěru, reologických vlastností nátěrové kapaliny, požadované přesnosti nátěru, nosiče nátěru nebo substrátu a rychlost potahování.

Kromě výše uvedených faktorů je nutné zvážit také konkrétní situaci a vlastnosti povlaku elektrody. Vlastnosti povlaku elektrod lithium-iontové baterie jsou: ① oboustranný jednovrstvý povlak; ② Mokrý povlak kaše je relativně tlustý (100-300 μm) ③ Kaše je nenewtonovská kapalina s vysokou viskozitou; ④ Požadavek na přesnost pro potahování polárním filmem je vysoký, podobný jako u potahování filmem; ⑤ Nosné těleso povlaku o tloušťce 10-20 μ Hliníková fólie a měděná fólie m; ⑥ Ve srovnání s rychlostí potahování filmem není rychlost potahování polárním filmem vysoká. Vezmeme-li v úvahu výše uvedené faktory, běžné laboratorní vybavení často používá typ škrabky, spotřebitelské lithium-iontové baterie často používají typ přenosu válečkovým povlakem a napájecí baterie často používají metodu vytlačování s úzkými štěrbinami.

Stěrka: Princip činnosti je znázorněn na obrázku 1. Fóliový substrát prochází potahovacím válcem a přímo se dotýká nádrže na kejdu. Přebytečná kaše se nanese na fóliový substrát. Když substrát prochází mezi nanášecím válcem a škrabkou, mezera mezi škrabkou a substrátem určuje tloušťku povlaku. Současně se přebytečná kaše seškrábne a vaří pod zpětným chladičem, čímž se na povrchu substrátu vytvoří stejnoměrný povlak. Hlavními typy škrabek jsou škrabky virgule. Škrabka virgule je jednou z klíčových součástí nanášecí hlavy. Obvykle se obrábí podél tvořící čáry na povrchu kruhového válce, aby vytvořil čepel podobnou čárce. Tento typ škrabky má vysokou pevnost a tvrdost, snadno se ovládá množství a přesnost povlaku a je vhodný pro suspenze s vysokým obsahem pevných látek a vysokou viskozitou.

Typ přenosu potahování válečkem: Potahovací válec se otáčí, aby poháněl kaši, upravoval množství přenášené kaše mezerou mezi škrabkou a pomocí otáčení zadního válce a potahovacího válce přenášel kaši na substrát. Proces je znázorněn na obrázku 2. Přenosové potahování válečkem zahrnuje dva základní procesy: (1) Rotace nanášecího válce pohání kaši tak, aby procházela mezerou mezi měřícími válci a vytvořila určitou tloušťku vrstvy kaše; (2) Určitá tloušťka vrstvy kaše se přenese na fólii otáčením potahovacího válce a zadního válce v opačných směrech, aby se vytvořil povlak.

Extruzní potah s úzkými štěrbinami: Jako přesná technologie mokrého potahování, jak je znázorněno na obrázku 3, pracovní princip spočívá v tom, že potahová kapalina je vytlačována a rozstřikována podél mezer potahovací formy pod určitým tlakem a průtokem a přenesena na substrát. . Ve srovnání s jinými metodami povlakování má mnoho výhod, jako je vysoká rychlost povlakování, vysoká přesnost a rovnoměrná tloušťka za mokra; Nátěrový systém je uzavřený, což může zabránit vnikání škodlivin během procesu nátěru. Míra využití suspenze je vysoká a vlastnosti suspenze jsou stabilní. Může být nanášen ve více vrstvách současně. A dokáže se přizpůsobit různým rozsahům viskozity kaše a obsahu pevných látek a má silnější přizpůsobivost ve srovnání s technologií přenosového potahování.

03

Vady povlaků a ovlivňující faktory

Snížení defektů povlaku, zlepšení kvality a výtěžnosti povlaku a snížení nákladů během procesu povlakování jsou důležité aspekty, které je třeba v procesu povlakování studovat. Běžné problémy, které se vyskytují v procesu potahování, jsou tlustá hlava a tenký konec, silné okraje na obou stranách, tmavé skvrny, drsný povrch, odkrytá fólie a další vady. Tloušťku hlavy a ocasu lze nastavit dobou otevírání a zavírání potahovacího ventilu nebo přerušovaného ventilu. Problém silných okrajů lze zlepšit úpravou vlastností kaše, mezery potahu, rychlosti proudění kaše atd. Drsnost povrchu, nerovnosti a pruhy lze zlepšit stabilizací fólie, snížením rychlosti, úpravou úhlu vzduchu nůž, atd.

Substrát – břečka

Vztah mezi základními fyzikálními vlastnostmi kaše a nátěru: Ve vlastním procesu má viskozita kaše určitý vliv na účinek nátěru. Viskozita připravené kaše se mění v závislosti na surovinách elektrody, poměru kaše a typu zvoleného pojiva. Když je viskozita kaše příliš vysoká, potahování často nemůže být prováděno kontinuálně a stabilně a účinek potahování je také ovlivněn.

Rovnoměrnost, stabilita, okrajové a povrchové efekty nátěrového roztoku jsou ovlivněny reologickými vlastnostmi nátěrového roztoku, které přímo určují kvalitu nátěru. Teoretickou analýzu, experimentální techniky nanášení povlaků, techniky konečných prvků dynamiky tekutin a další výzkumné metody lze použít ke studiu okna povlaku, což je provozní provozní rozsah pro stabilní povlakování a získání jednotného povlaku.

Substrát - měděná fólie a hliníková fólie

Povrchové napětí: Povrchové napětí měděné hliníkové fólie musí být vyšší než povrchové napětí potaženého roztoku, jinak se bude roztok obtížně roztírat naplocho na substrát, což má za následek špatnou kvalitu nátěru. Jedna zásada, kterou je třeba dodržovat, je, že povrchové napětí roztoku, který má být potažen, by mělo být o 5 dynů/cm nižší než povrchové napětí substrátu, i když jde pouze o hrubý odhad. Povrchové napětí roztoku a substrátu lze upravit úpravou složení nebo povrchové úpravy substrátu. Měření povrchového napětí mezi těmito dvěma by mělo být také považováno za zkušební položku kontroly kvality.

Rovnoměrná tloušťka: V procesu podobném škrabkovému nátěru může nerovnoměrná tloušťka příčného povrchu substrátu vést k nerovnoměrné tloušťce nátěru. Protože v procesu nanášení je tloušťka povlaku řízena mezerou mezi škrabkou a substrátem. Pokud je vodorovně nižší tloušťka substrátu, bude touto oblastí procházet více roztoku a tloušťka povlaku bude také silnější a naopak. Pokud lze z tloušťkoměru vidět kolísání tloušťky substrátu, bude konečné kolísání tloušťky filmu také vykazovat stejnou odchylku. Kromě toho může boční odchylka tloušťky také vést k poruchám vinutí. Abychom se vyhnuli takovým vadám, je důležité kontrolovat tloušťku surovin

Statická elektřina: Na nanášecí lince vzniká na povrchu substrátu při odvíjení a průchodu válci velké množství statické elektřiny. Vytvořená statická elektřina může snadno adsorbovat vzduch a vrstvu popela na válci, což má za následek defekty povlaku. Během procesu výboje může statická elektřina také způsobit elektrostatické vady vzhledu na povrchu nátěru, a co je vážnější, může dokonce způsobit požár. Pokud je vlhkost v zimě nízká, problém se statickou elektřinou na lakovací lince bude výraznější. Nejúčinnějším způsobem, jak omezit takové vady, je udržovat vlhkost prostředí na co nejvyšší úrovni, uzemnit potahovací drát a nainstalovat některá antistatická zařízení.

Čistota: Nečistoty na povrchu substrátu mohou způsobit některé fyzikální vady, jako jsou výstupky, nečistoty atd. Takže při procesu výroby substrátů je potřeba dobře kontrolovat čistotu surovin. Poměrně účinnou metodou pro odstranění nečistot z podkladu jsou online válečky na čištění membrán. I když nelze odstranit všechny nečistoty na membráně, může účinně zlepšit kvalitu surovin a snížit ztráty.

04

Mapa defektů pólů lithiové baterie

【1】 Vady bublin v povlaku záporné elektrody lithium-iontových baterií

Deska záporné elektrody s bublinami na levém obrázku a 200násobné zvětšení rastrovacího elektronového mikroskopu na pravém obrázku. Během procesu míchání, přepravy a potahování se prach nebo dlouhé vločky a jiné cizí předměty vmísí do potahovacího roztoku nebo padnou na povrch mokrého nátěru. Povrchové napětí povlaku v tomto bodě je ovlivněno vnějšími silami, což způsobuje změny mezimolekulárních sil, což vede k mírnému přenosu kaše. Po zaschnutí se vytvoří kruhové značky s tenkým středem.

【2】 Dírka

Jedním z nich je vytváření bublin (proces míchání, transportní proces, proces potahování); Dírkový defekt způsobený bublinami je poměrně snadno pochopitelný. Bubliny ve vlhkém filmu migrují z vnitřní vrstvy na povrch filmu a praskají na povrchu a vytvářejí dírkový defekt. Bubliny pocházejí hlavně ze špatné tekutosti, špatného vyrovnávání a špatného uvolňování bublin během míchání, transportu kapaliny a procesů potahování.

【3】 Škrábance

Možné příčiny: Cizí předměty nebo velké částice, které uvíznou v úzké mezeře nebo mezeře povlaku, špatná kvalita substrátu, což způsobí, že cizí předměty zablokují štěrbinu povlaku mezi nanášecím válcem a zadním válcem a poškození břitu formy.

【4】 Silný okraj

Důvodem pro tvorbu tlustých okrajů je povrchové napětí suspenze, které způsobuje migraci suspenze směrem k nepotaženému okraji elektrody, přičemž po vysušení tvoří silné okraje.

【5】 Agregované částice na povrchu záporné elektrody

Vzorec: Sférický grafit+SUPER C65+CMC+destilovaná voda

Makromorfologie polarizátorů se dvěma různými procesy míchání: hladký povrch (vlevo) a přítomnost velkého množství malých částic na povrchu (vpravo)

Složení: Sférický grafit+SUPER C65+CMC/SBR+destilovaná voda

Zvětšená morfologie malých částic na povrchu elektrody (a a b): Agregáty vodivých činidel, ne zcela rozptýlené.

Zvětšená morfologie polarizátorů s hladkým povrchem: Vodivé činidlo je plně rozptýleno a rovnoměrně distribuováno.

【6】 Aglomerované částice na povrchu kladné elektrody

Vzorec: NCA+acetylenová čerň+PVDF+NMP

Během procesu míchání je vlhkost prostředí příliš vysoká, což způsobuje, že se kaše stává rosolovitou, vodivé činidlo není zcela rozptýleno a na povrchu polarizátoru je po válcování velké množství částic.

【7】 Praskliny v polárních deskách vodního systému

Složení: NMC532/sadze/pojivo=90/5/5 % hmotn., rozpouštědlo voda/isopropanol (IPA)

Optické fotografie povrchových trhlin na polarizátorech s hustotami povlaku (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 a (d) 25 mg/cm2, v tomto pořadí. Tlusté polarizátory jsou náchylnější k prasklinám.

【8】 Smrštění na povrchu polarizátoru

Vzorec: vločkový grafit+SP+CMC/SBR+destilovaná voda

Přítomnost částic znečišťujících látek na povrchu fólie má za následek oblast nízkého povrchového napětí vlhkého filmu na povrchu částic. Kapalný film emituje a migruje směrem k obvodu částic a vytváří defekty v místě smrštění.

【9】 Škrábance na povrchu elektrody

Vzorec: NMC532+SP+PVdF+NMP

Extruzní povlak s úzkým švem s velkými částicemi na řezné hraně, které způsobují prosakování fólie a škrábance na povrchu elektrody.

【10】 Nátěr svislých pruhů

Vzorec: NCA+SP+PVdF+NMP

V pozdější fázi přetlačovacího nátěru se viskozita kaše absorpce vody zvyšuje a při nanášení se blíží horní hranici nátěrového okna, což má za následek špatné vyrovnání kaše a tvorbu svislých pruhů.

【11】 Trhliny při lisování válců v oblasti, kde není polární film zcela vysušen

Vzorec: vločkový grafit+SP+CMC/SBR+destilovaná voda

Během potahování není střední oblast polarizátoru zcela suchá a během válcování povlak migruje a vytváří trhliny ve tvaru proužků.

【12】 Vrásky okrajů lisování polárních válečků

Fenomén silných okrajů vytvořených potahováním, lisováním válečkem a zvrásněním okrajů potahu

【13】 Negativní elektrodový řezný povlak oddělený od fólie

Složení: přírodní grafit+acetylenová čerň+CMC/SBR+destilovaná voda, poměr účinných látek 96%

Při řezání polárního disku se povlak a fólie oddělí.

【14】 Otřepy pro řezání hran

Během řezání kotouče kladné elektrody vede nestabilní regulace tahu k tvorbě otřepů fólie při sekundárním řezání.

【15】 Hrana řezné vlny polárního plátku

Při řezání kotouče záporné elektrody dochází vlivem nevhodného přesahu a tlaku řezných nožů ke vzniku vlnitých hran a odlupování povlaku zářezu.

【16】 Mezi další běžné vady povlaku patří infiltrace vzduchu, boční vlny, prověšení, říčka, expanze, poškození vodou atd.

Vady se mohou vyskytnout v jakékoli fázi zpracování: příprava nátěru, výroba substrátu, operace substrátu, oblast nátěru, oblast sušení, řezání, řezání, válcování atd. Jaká je obecná logická metoda řešení vad?

1.Během procesu od pilotní výroby po výrobu je nutné optimalizovat recepturu produktu, proces nanášení a sušení a najít relativně dobré nebo široké procesní okno.

2. Ke kontrole kvality produktů používejte některé metody kontroly kvality a statistické nástroje (SPC). Sledováním a řízením stabilní tloušťky povlaku online nebo pomocí systému vizuální kontroly vzhledu (Visual System) pro kontrolu defektů na povrchu povlaku.

3. Když se vyskytnou závady produktu, upravte proces včas, aby se předešlo opakovaným závadám.

05

Jednotnost povlaku

Takzvaná stejnoměrnost povlaku se týká konzistence rozložení tloušťky povlaku nebo množství lepidla v oblasti povlaku. Čím lepší je konzistence tloušťky nátěru nebo množství lepidla, tím lepší je rovnoměrnost nátěru a naopak. Neexistuje žádný jednotný index měření stejnoměrnosti povlaku, který lze měřit odchylkou nebo procentuální odchylkou tloušťky povlaku nebo množství lepidla v každém bodě v určité oblasti vzhledem k průměrné tloušťce povlaku nebo množství lepidla v této oblasti nebo pomocí rozdíl mezi maximální a minimální tloušťkou povlaku nebo množstvím lepidla v určité oblasti. Tloušťka povlaku se obvykle vyjadřuje v µm.

Rovnoměrnost povlaku se používá k hodnocení celkového stavu povlaku v oblasti. Ale při skutečné výrobě nám většinou záleží spíše na rovnoměrnosti v horizontálním i vertikálním směru podkladu. Takzvaná horizontální rovnoměrnost se týká rovnoměrnosti směru šířky povlaku (nebo horizontálního směru stroje). Takzvaná podélná rovnoměrnost se týká rovnoměrnosti ve směru délky povlaku (nebo směru pohybu substrátu).

Existují značné rozdíly ve velikosti, ovlivňujících faktorech a metodách kontroly horizontálních a vertikálních chyb nanášení lepidla. Obecně platí, že čím větší je šířka substrátu (nebo povlaku), tím obtížnější je kontrolovat boční rovnoměrnost. Na základě dlouholetých praktických zkušeností s nanášením online, když je šířka substrátu menší než 800 mm, je obvykle snadno zaručena boční rovnoměrnost; Když je šířka substrátu mezi 1300-1800 mm, lze boční rovnoměrnost často dobře kontrolovat, ale je zde určitá obtíž a je vyžadována značná úroveň profesionality; Při šířce substrátu nad 2000 mm je kontrola příčné rovnoměrnosti velmi obtížná a jen málo výrobců to dokáže dobře zvládnout. Když se výrobní šarže (tj. délka povlaku) zvětší, podélná stejnoměrnost se může stát větší obtíží nebo výzvou než stejnoměrnost příčná.