Processo di rivestimento e difetti delle batterie al litio

Processo di rivestimento e difetti delle batterie al litio

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L'influenza del processo di rivestimento sulle prestazioni delle batterie al litio

Il rivestimento polare si riferisce generalmente ad un processo di rivestimento uniforme di un impasto liquido agitato su un collettore di corrente e di essiccazione dei solventi organici nell'impasto liquido. L'effetto del rivestimento ha un impatto significativo sulla capacità della batteria, sulla resistenza interna, sulla durata del ciclo e sulla sicurezza, garantendo un rivestimento uniforme dell'elettrodo. La scelta dei metodi di rivestimento e dei parametri di controllo hanno un impatto significativo sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio, che si manifesta principalmente in:

1) Controllo della temperatura di asciugatura per il rivestimento: Se la temperatura di asciugatura è troppo bassa durante il rivestimento, non può garantire la completa asciugatura dell'elettrodo. Se la temperatura è troppo elevata, ciò potrebbe essere dovuto alla rapida evaporazione dei solventi organici all'interno dell'elettrodo, con conseguente fessurazione, desquamazione e altri fenomeni sul rivestimento superficiale dell'elettrodo;

2) Densità della superficie del rivestimento: se la densità della superficie del rivestimento è troppo piccola, la capacità della batteria potrebbe non raggiungere la capacità nominale. Se la densità della superficie del rivestimento è troppo elevata, è facile causare sprechi di ingredienti. Nei casi più gravi, se la capacità dell'elettrodo positivo è eccessiva, si formeranno dendriti di litio a causa della precipitazione del litio, perforando il separatore della batteria e provocando un cortocircuito, costituendo un pericolo per la sicurezza;

3) Dimensioni del rivestimento: se le dimensioni del rivestimento sono troppo piccole o troppo grandi, l'elettrodo positivo all'interno della batteria potrebbe non essere completamente coperto dall'elettrodo negativo. Durante il processo di carica, gli ioni di litio vengono incorporati dall'elettrodo positivo e si spostano nell'elettrolita non completamente coperto dall'elettrodo negativo. La capacità effettiva dell'elettrodo positivo non può essere utilizzata in modo efficiente. Nei casi più gravi, all'interno della batteria possono formarsi dendriti di litio che possono facilmente forare il separatore e causare danni al circuito interno;

4) Spessore del rivestimento: se lo spessore del rivestimento è troppo sottile o troppo spesso, ciò influenzerà il successivo processo di laminazione dell'elettrodo e non potrà garantire la costanza delle prestazioni degli elettrodi della batteria.

Inoltre, il rivestimento degli elettrodi è di grande importanza per la sicurezza delle batterie. Prima del rivestimento, è necessario eseguire il lavoro 5S per garantire che particelle, detriti, polvere, ecc. non vengano mescolati nell'elettrodo durante il processo di rivestimento. Se si mescolano dei detriti, si causerà un microcortocircuito all'interno della batteria, che può provocare incendi ed esplosioni nei casi più gravi.

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Selezione dell'attrezzatura di rivestimento e del processo di rivestimento

Il processo di rivestimento generale comprende: svolgimento → giunzione → trazione → controllo della tensione → rivestimento → asciugatura → correzione → controllo della tensione → correzione → avvolgimento e altri processi. Il processo di rivestimento è complesso e ci sono anche molti fattori che influenzano l'effetto del rivestimento, come l'accuratezza della produzione dell'attrezzatura di rivestimento, la fluidità del funzionamento dell'attrezzatura, il controllo della tensione dinamica durante il processo di rivestimento, la dimensione del flusso d'aria durante il processo di essiccazione e la curva di controllo della temperatura. Pertanto, la scelta di un processo di rivestimento adeguato è estremamente importante.

La scelta generale del metodo di rivestimento deve considerare i seguenti aspetti, tra cui: il numero di strati da rivestire, lo spessore del rivestimento bagnato, le proprietà reologiche del liquido di rivestimento, la precisione del rivestimento richiesta, il supporto o substrato del rivestimento e la velocità di rivestimento.

Oltre ai fattori sopra indicati, è necessario considerare anche la situazione e le caratteristiche specifiche del rivestimento dell'elettrodo. Le caratteristiche del rivestimento degli elettrodi della batteria agli ioni di litio sono: ① rivestimento a strato singolo su entrambi i lati; ② Il rivestimento umido dell'impasto liquido è relativamente spesso (100-300 μ m) ③ L'impasto liquido è un fluido non newtoniano ad alta viscosità; ④ I requisiti di precisione per il rivestimento con pellicola polare sono elevati, simili a quelli del rivestimento con pellicola; ⑤ Rivestimento del corpo di supporto con uno spessore di 10-20 μ Foglio di alluminio e foglio di rame da m; ⑥ Rispetto alla velocità di rivestimento della pellicola, la velocità di rivestimento della pellicola polare non è elevata. Tenendo conto dei fattori di cui sopra, le apparecchiature generali di laboratorio utilizzano spesso il tipo a raschietto, le batterie agli ioni di litio di consumo spesso utilizzano il tipo a trasferimento di rivestimento a rullo e le batterie di alimentazione spesso utilizzano il metodo di estrusione a fessura stretta.

Rivestimento con raschiatore: il principio di funzionamento è mostrato nella Figura 1. Il substrato in lamina passa attraverso il rullo di rivestimento e entra direttamente in contatto con il serbatoio dell'impasto liquido. L'impasto liquido in eccesso viene applicato al substrato in lamina. Quando il substrato passa tra il rullo di rivestimento e il raschiatore, lo spazio tra il raschiatore e il substrato determina lo spessore del rivestimento. Allo stesso tempo, l'impasto in eccesso viene raschiato e fatto rifluire, formando un rivestimento uniforme sulla superficie del substrato. I principali tipi di raschietti sono i raschietti a virgola. Il raschiatore a virgola è uno dei componenti chiave della testa di spalmatura. Viene generalmente lavorato lungo la generatrice sulla superficie del rullo circolare per formare una lama a virgola. Questo tipo di raschietto ha elevata resistenza e durezza, è facile da controllare la quantità e la precisione del rivestimento ed è adatto per fanghi ad alto contenuto solido e ad alta viscosità.

Tipo di trasferimento del rivestimento a rullo: il rullo di rivestimento ruota per guidare l'impasto, regolare la quantità di trasferimento dell'impasto attraverso lo spazio tra il raschiatore a virgola e utilizzare la rotazione del rullo posteriore e del rullo di rivestimento per trasferire l'impasto al substrato. Il processo è mostrato nella Figura 2. Il rivestimento di trasferimento del rivestimento a rulli prevede due processi fondamentali: (1) La rotazione del rullo di rivestimento spinge l'impasto liquido a passare attraverso lo spazio tra i rulli dosatori, formando un certo spessore di strato di impasto liquido; (2) Un certo spessore di strato di impasto liquido viene trasferito sulla lamina ruotando il rullo di rivestimento e il rullo posteriore in direzioni opposte per formare un rivestimento.

Rivestimento per estrusione a fessura stretta: essendo una tecnologia di rivestimento a umido di precisione, come mostrato nella Figura 3, il principio di funzionamento è che il liquido di rivestimento viene estruso e spruzzato lungo gli spazi dello stampo di rivestimento sotto una determinata pressione e portata e trasferito al substrato . Rispetto ad altri metodi di rivestimento, presenta molti vantaggi, come un'elevata velocità di rivestimento, un'elevata precisione e uno spessore umido uniforme; Il sistema di rivestimento è chiuso, il che può impedire l'ingresso di sostanze inquinanti durante il processo di rivestimento. Il tasso di utilizzo dei liquami è elevato e le proprietà dei liquami sono stabili. Può essere rivestito in più strati contemporaneamente. Inoltre, può adattarsi a diversi intervalli di viscosità dell'impasto liquido e contenuto di solidi e presenta una maggiore adattabilità rispetto alla tecnologia di rivestimento a trasferimento.

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Difetti del rivestimento e fattori che li influenzano

La riduzione dei difetti del rivestimento, il miglioramento della qualità e della resa del rivestimento e la riduzione dei costi durante il processo di rivestimento sono aspetti importanti che devono essere studiati nel processo di rivestimento. I problemi più comuni che si verificano nel processo di rivestimento sono testa spessa e coda sottile, bordi spessi su entrambi i lati, macchie scure, superficie ruvida, lamina esposta e altri difetti. Lo spessore della testa e della coda può essere regolato tramite il tempo di apertura e chiusura della valvola di rivestimento o della valvola intermittente. Il problema dei bordi spessi può essere migliorato regolando le proprietà dell'impasto liquido, dello spazio tra il rivestimento, la portata dell'impasto liquido, ecc. La ruvidità superficiale, le irregolarità e le strisce possono essere migliorate stabilizzando la lamina, riducendo la velocità, regolando l'angolo dell'aria coltello, ecc.

Substrato: liquame

La relazione tra le proprietà fisiche di base dell'impasto liquido e del rivestimento: nel processo reale, la viscosità dell'impasto liquido ha un certo impatto sull'effetto del rivestimento. La viscosità dell'impasto liquido preparato varia a seconda delle materie prime dell'elettrodo, del rapporto dell'impasto liquido e del tipo di legante selezionato. Quando la viscosità dell'impasto liquido è troppo elevata, il rivestimento spesso non può essere eseguito in modo continuo e stabile e anche l'effetto del rivestimento ne risente.

L'uniformità, la stabilità, gli effetti sui bordi e sulla superficie della soluzione di rivestimento sono influenzati dalle proprietà reologiche della soluzione di rivestimento, che determinano direttamente la qualità del rivestimento. Analisi teoriche, tecniche sperimentali di rivestimento, tecniche di fluidodinamica agli elementi finiti e altri metodi di ricerca possono essere utilizzati per studiare la finestra di rivestimento, che è l'intervallo operativo del processo per un rivestimento stabile e per ottenere un rivestimento uniforme.

Substrato: foglio di rame e foglio di alluminio

Tensione superficiale: la tensione superficiale del foglio di rame e alluminio deve essere superiore alla tensione superficiale della soluzione rivestita, altrimenti la soluzione sarà difficile da stendere sul substrato, con conseguente scarsa qualità del rivestimento. Un principio da seguire è che la tensione superficiale della soluzione da rivestire sia inferiore di 5 dine/cm rispetto a quella del supporto, anche se questa è solo una stima approssimativa. La tensione superficiale della soluzione e del substrato può essere regolata regolando la formula o il trattamento superficiale del substrato. Anche la misurazione della tensione superficiale tra i due dovrebbe essere considerata come un elemento di test di controllo qualità.

Spessore uniforme: in un processo simile al rivestimento con raschiatore, lo spessore irregolare della superficie trasversale del substrato può portare a uno spessore del rivestimento irregolare. Perché nel processo di rivestimento, lo spessore del rivestimento è controllato dallo spazio tra il raschietto e il substrato. Se lo spessore del substrato è inferiore in senso orizzontale, attraverso quell'area passerà più soluzione e anche lo spessore del rivestimento sarà maggiore e viceversa. Se la fluttuazione dello spessore del substrato può essere vista dallo spessimetro, anche la fluttuazione dello spessore del film finale mostrerà la stessa deviazione. Inoltre, la deviazione laterale dello spessore può anche portare a difetti nell'avvolgimento. Quindi, per evitare tali difetti, è importante controllare lo spessore delle materie prime

Elettricità statica: Sulla linea di verniciatura, sulla superficie del substrato viene generata molta elettricità statica quando viene applicata sui rulli di svolgimento e passaggio. L'elettricità statica generata può facilmente assorbire aria e strato di cenere sul rullo, causando difetti nel rivestimento. Durante il processo di scarica, l'elettricità statica può anche causare difetti di aspetto elettrostatico sulla superficie del rivestimento e, cosa più grave, può persino provocare incendi. Se l'umidità è bassa in inverno, il problema dell'elettricità statica sulla linea di rivestimento sarà più evidente. Il modo più efficace per ridurre tali difetti è mantenere l'umidità ambientale quanto più alta possibile, mettere a terra il filo di rivestimento e installare alcuni dispositivi antistatici.

Pulizia: Le impurità sulla superficie del supporto possono causare alcuni difetti fisici, come sporgenze, sporco, ecc. Quindi nel processo di produzione dei substrati è necessario controllare bene la pulizia delle materie prime. I rulli per la pulizia delle membrane in linea sono un metodo relativamente efficace per rimuovere le impurità del substrato. Sebbene non tutte le impurità presenti sulla membrana possano essere rimosse, è possibile migliorare efficacemente la qualità delle materie prime e ridurre le perdite.

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Mappa dei difetti dei poli delle batterie al litio

【1】 Difetti di bolle nel rivestimento dell'elettrodo negativo delle batterie agli ioni di litio

La piastra dell'elettrodo negativo con bolle nell'immagine a sinistra e l'ingrandimento 200x del microscopio elettronico a scansione nell'immagine a destra. Durante il processo di miscelazione, trasporto e rivestimento, polvere o lunghi fiocchi e altri corpi estranei si mescolano nella soluzione di rivestimento o cadono sulla superficie del rivestimento bagnato. La tensione superficiale del rivestimento a questo punto è influenzata da forze esterne, causando cambiamenti nelle forze intermolecolari, con conseguente lieve trasferimento dell'impasto liquido. Dopo l'essiccazione si formano dei segni circolari, con il centro sottile.

【2】 Foro stenopeico

Il primo è la generazione di bolle (processo di agitazione, processo di trasporto, processo di rivestimento); Il difetto stenopeico causato dalle bolle è relativamente facile da capire. Le bolle nella pellicola bagnata migrano dallo strato interno alla superficie della pellicola e si rompono sulla superficie per formare un difetto stenopeico. Le bolle provengono principalmente da scarsa fluidità, scarso livellamento e scarso rilascio di bolle durante i processi di miscelazione, trasporto di liquidi e rivestimento.

【3】 Graffi

Possibili cause: corpi estranei o particelle di grandi dimensioni rimangono incastrati nello spazio stretto o nello spazio di rivestimento, scarsa qualità del substrato, causando corpi estranei che bloccano lo spazio di rivestimento tra il rullo di rivestimento e il rullo posteriore e danni al labbro dello stampo.

【4】 Bordo spesso

Il motivo della formazione di bordi spessi è dovuto alla tensione superficiale dell'impasto liquido, che fa sì che l'impasto liquido migri verso il bordo non rivestito dell'elettrodo, formando bordi spessi dopo l'essiccazione.

【5】 Particelle aggregate sulla superficie dell'elettrodo negativo

Formula: Grafite sferica+SUPER C65+CMC+acqua distillata

Macromorfologia dei polarizzatori con due diversi processi di agitazione: superficie liscia (a sinistra) e presenza di un gran numero di piccole particelle sulla superficie (a destra)

Formula: Grafite sferica+SUPER C65+CMC/SBR+Acqua distillata

Morfologia ingrandita di piccole particelle sulla superficie dell'elettrodo (aeb): Aggregati di agenti conduttori, non completamente dispersi.

Morfologia ingrandita dei polarizzatori a superficie liscia: l'agente conduttivo è completamente disperso e distribuito uniformemente.

【6】 Particelle agglomerate sulla superficie dell'elettrodo positivo

Formula: NCA+acetilene nero+PVDF+NMP

Durante il processo di miscelazione, l'umidità ambientale è troppo elevata, facendo sì che l'impasto diventi gelatinoso, l'agente conduttivo non è completamente disperso e sulla superficie del polarizzatore dopo il rotolamento sono presenti un gran numero di particelle.

【7】 Crepe nelle piastre polari del sistema idrico

Formula: NMC532/nero di carbonio/legante=90/5/5 in peso%, acqua/solvente isopropanolo (IPA)

Foto ottiche di crepe superficiali sui polarizzatori, con densità di rivestimento rispettivamente di (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 e (d) 25 mg/cm2. I polarizzatori spessi sono più soggetti a crepe.

【8】 Restringimento sulla superficie del polarizzatore

Formula: grafite in scaglie+SP+CMC/SBR+acqua distillata

La presenza di particelle inquinanti sulla superficie del foglio determina un'area a bassa tensione superficiale del film umido sulla superficie delle particelle. Il film liquido esce e migra verso la periferia delle particelle, formando difetti di ritiro.

【9】 Graffi sulla superficie dell'elettrodo

Formula: NMC532+SP+PVdF+NMP

Rivestimento per estrusione a giuntura stretta, con grandi particelle sul tagliente che causano perdite di pellicola e graffi sulla superficie dell'elettrodo.

【10】 Rivestimento strisce verticali

Formula: NCA+SP+PVdF+NMP

Nella fase successiva del rivestimento di trasferimento, la viscosità dell'assorbimento d'acqua dell'impasto liquido aumenta, avvicinandosi al limite superiore della finestra di rivestimento durante il rivestimento, con conseguente scarso livellamento dell'impasto liquido e formazione di strisce verticali.

【11】 Rotolare premendo le crepe nell'area in cui la pellicola polare non è completamente asciutta

Formula: grafite in scaglie+SP+CMC/SBR+acqua distillata

Durante il rivestimento, l'area centrale del polarizzatore non è completamente asciutta e durante la laminazione il rivestimento migra formando crepe a forma di striscia.

【12】 Rughe sui bordi della pressatura con rullo polare

Il fenomeno dei bordi spessi formati dal rivestimento, dalla pressatura a rullo e dall'increspatura dei bordi del rivestimento

【13】 Rivestimento di taglio dell'elettrodo negativo staccato dalla lamina

Formula: grafite naturale+acetilene nero+CMC/SBR+acqua distillata, rapporto sostanza attiva 96%

Quando il disco polare viene tagliato, il rivestimento e la lamina si staccano.

【14】 Bave da taglio

Durante il taglio del disco dell'elettrodo positivo, un controllo instabile della tensione porta alla formazione di bave di pellicola durante il taglio secondario.

【15】 Bordo dell'onda di taglio della fetta polare

Durante il taglio del disco dell'elettrodo negativo, a causa della sovrapposizione e della pressione inadeguata delle lame di taglio, si formano bordi ondulati e distacco del rivestimento dell'incisione.

【16】 Altri difetti comuni del rivestimento includono infiltrazioni d'aria, onde laterali, cedimenti, rivoli, espansione, danni causati dall'acqua, ecc.

I difetti possono verificarsi in qualsiasi fase della lavorazione: preparazione del rivestimento, produzione del substrato, operazione del substrato, area di rivestimento, area di asciugatura, taglio, taglio, processo di laminazione, ecc. Qual è il metodo logico generale per risolvere i difetti?

1.Durante il processo dalla produzione pilota alla produzione, è necessario ottimizzare la formula del prodotto, il processo di rivestimento e essiccazione e trovare una finestra di processo relativamente buona o ampia.

2. Utilizzare alcuni metodi di controllo qualità e strumenti statistici (SPC) per controllare la qualità dei prodotti. Monitorando e controllando online lo spessore stabile del rivestimento o utilizzando un sistema di ispezione visiva dell'aspetto (Visual System) per verificare la presenza di difetti sulla superficie del rivestimento.

3. Quando si verificano difetti del prodotto, adeguare il processo in modo tempestivo per evitare difetti ripetuti.

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Uniformità del rivestimento

La cosiddetta uniformità del rivestimento si riferisce alla consistenza della distribuzione dello spessore del rivestimento o della quantità di adesivo all'interno dell'area del rivestimento. Migliore è la consistenza dello spessore del rivestimento o della quantità di adesivo, migliore è l'uniformità del rivestimento e viceversa. Non esiste un indice di misurazione unificato per l'uniformità del rivestimento, che può essere misurato dalla deviazione o dalla deviazione percentuale dello spessore del rivestimento o della quantità di adesivo in ciascun punto in una determinata area rispetto allo spessore medio del rivestimento o alla quantità di adesivo in quell'area, o dal differenza tra lo spessore massimo e minimo del rivestimento o la quantità di adesivo in una determinata area. Lo spessore del rivestimento è solitamente espresso in µm.

L'uniformità del rivestimento viene utilizzata per valutare le condizioni generali del rivestimento di un'area. Ma nella produzione vera e propria, di solito prestiamo maggiore attenzione all'uniformità sia nella direzione orizzontale che verticale del substrato. La cosiddetta uniformità orizzontale si riferisce all'uniformità della direzione della larghezza del rivestimento (o direzione orizzontale della macchina). La cosiddetta uniformità longitudinale si riferisce all'uniformità nella direzione della lunghezza del rivestimento (o direzione di spostamento del substrato).

Esistono differenze significative nelle dimensioni, nei fattori che influenzano e nei metodi di controllo degli errori di applicazione della colla orizzontale e verticale. In generale, maggiore è la larghezza del substrato (o del rivestimento), più difficile sarà controllare l'uniformità laterale. Sulla base di anni di esperienza pratica nel rivestimento in linea, quando la larghezza del substrato è inferiore a 800 mm, l'uniformità laterale è generalmente facilmente garantita; Quando la larghezza del supporto è compresa tra 1300-1800 mm, spesso l'uniformità laterale può essere ben controllata, ma c'è una certa difficoltà ed è richiesta una notevole professionalità; Quando la larghezza del substrato è superiore a 2.000 mm, il controllo dell'uniformità laterale è molto difficile e solo pochi produttori riescono a gestirlo bene. Quando il lotto di produzione (cioè la lunghezza del rivestimento) aumenta, l'uniformità longitudinale può diventare una difficoltà o una sfida maggiore rispetto all'uniformità trasversale.