Proces lakovania a defekty lítiových batérií

Proces lakovania a defekty lítiových batérií

01

Vplyv procesu povrchovej úpravy na výkon lítiových batérií

Polárne poťahovanie vo všeobecnosti označuje proces rovnomerného nanášania miešanej suspenzie na zberač prúdu a sušenia organických rozpúšťadiel v suspenzii. Efekt povlaku má významný vplyv na kapacitu batérie, vnútorný odpor, životnosť cyklu a bezpečnosť, pričom zabezpečuje rovnomerné potiahnutie elektródy. Výber metód povrchovej úpravy a kontrolné parametre majú významný vplyv na výkon lítium-iónových batérií, čo sa prejavuje najmä v:

1) Kontrola teploty sušenia pre povlak: Ak je teplota sušenia počas nanášania príliš nízka, nemôže zaručiť úplné vysušenie elektródy. Ak je teplota príliš vysoká, môže to byť spôsobené rýchlym odparovaním organických rozpúšťadiel vo vnútri elektródy, čo má za následok praskanie, odlupovanie a iné javy na povrchovom povlaku elektródy;

2) Hustota povrchu náteru: Ak je hustota povrchu náteru príliš malá, kapacita batérie nemusí dosiahnuť nominálnu kapacitu. Ak je hustota povrchu povlaku príliš vysoká, je ľahké spôsobiť plytvanie prísadami. V závažných prípadoch, ak je nadmerná kladná kapacita elektródy, sa v dôsledku vyzrážania lítia vytvoria dendrity lítia, ktoré prepichnú separátor batérie a spôsobia skrat, čo predstavuje bezpečnostné riziko;

3) Veľkosť povlaku: Ak je veľkosť povlaku príliš malá alebo príliš veľká, môže to spôsobiť, že kladná elektróda vo vnútri batérie nebude úplne pokrytá zápornou elektródou. Počas procesu nabíjania sú lítiové ióny vložené z kladnej elektródy a presúvajú sa do elektrolytu, ktorý nie je úplne pokrytý zápornou elektródou. Skutočnú kapacitu kladnej elektródy nemožno efektívne využiť. V závažných prípadoch sa môžu vo vnútri batérie tvoriť dendrity lítia, ktoré môžu ľahko prepichnúť separátor a spôsobiť poškodenie vnútorného obvodu;

4) Hrúbka povlaku: Ak je hrúbka povlaku príliš tenká alebo príliš hrubá, ovplyvní to následný proces valcovania elektródy a nemôže zaručiť konzistentnosť výkonu elektród batérie.

Okrem toho má povlak elektród veľký význam pre bezpečnosť batérií. Pred potiahnutím by sa mala vykonať práca 5S, aby sa zabezpečilo, že sa do elektródy počas procesu nanášania neprimiešajú žiadne častice, úlomky, prach atď. Ak sa primiešajú nejaké nečistoty, spôsobí to mikroskrat vo vnútri batérie, čo môže v závažných prípadoch viesť k požiaru a výbuchu.

02

Výber lakovacieho zariadenia a proces lakovania

Všeobecný proces poťahovania zahŕňa: odvíjanie → spájanie → ťahanie → kontrola napätia → poťahovanie → sušenie → korekcia → kontrola napätia → korekcia → navíjanie a ďalšie procesy. Proces nanášania je zložitý a existuje aj veľa faktorov, ktoré ovplyvňujú účinok náteru, ako je presnosť výroby náterového zariadenia, plynulosť prevádzky zariadenia, kontrola dynamického napätia počas procesu náteru, veľkosť prúdenia vzduchu počas procesu náteru. proces sušenia a krivka regulácie teploty. Preto je výber vhodného procesu náteru mimoriadne dôležitý.

Pri všeobecnom výbere metódy nanášania je potrebné zvážiť nasledujúce aspekty vrátane: počtu vrstiev, ktoré sa majú naniesť, hrúbky mokrého náteru, reologických vlastností náterovej kvapaliny, požadovanej presnosti náteru, nosiča náteru alebo substrátu a rýchlosť poťahovania.

Okrem vyššie uvedených faktorov je potrebné zvážiť aj špecifickú situáciu a vlastnosti povlaku elektródy. Charakteristiky povlaku elektród lítium-iónovej batérie sú: ① obojstranný jednovrstvový povlak; ② Mokrý povlak suspenzie je relatívne hrubý (100-300 μm) ③ Suspenzia je nenewtonovská kvapalina s vysokou viskozitou; ④ Požiadavka presnosti na poťahovanie polárnym filmom je vysoká, podobná ako pri poťahovaní filmom; ⑤ Nosné teleso náteru s hrúbkou 10-20 μ Hliníková fólia a medená fólia m; ⑥ V porovnaní s rýchlosťou nanášania filmu nie je rýchlosť nanášania filmu vysoká. Berúc do úvahy vyššie uvedené faktory, všeobecné laboratórne vybavenie často používa typ škrabky, spotrebiteľské lítium-iónové batérie často používajú typ prenosu valčekovým povlakom a napájacie batérie často používajú metódu vytláčania s úzkymi štrbinami.

Nanášanie škrabkou: Princíp činnosti je znázornený na obrázku 1. Fóliový substrát prechádza cez nanášací valec a priamo sa dotýka nádrže na hnoj. Prebytočná kaša sa nanesie na fóliový podklad. Keď substrát prechádza medzi nanášacím valcom a škrabkou, medzera medzi škrabkou a substrátom určuje hrúbku povlaku. Súčasne sa prebytočná suspenzia zoškrabe a refluxuje, čím sa vytvorí rovnomerný povlak na povrchu substrátu. Hlavnými typmi škrabákov sú čiarkové škrabky. Škrabka čiarky je jedným z kľúčových komponentov v nanášacej hlave. Vo všeobecnosti je opracovaný pozdĺž tvoriacej čiary na povrchu kruhového valca, aby vytvoril čepeľ podobnú čiarke. Tento typ škrabky má vysokú pevnosť a tvrdosť, ľahko sa ovláda množstvo a presnosť náteru a je vhodný pre kaly s vysokým obsahom pevných látok a vysokou viskozitou.

Typ valčekového prenosu nanášania: Nanášací valec sa otáča, aby poháňal kal, upravoval množstvo prenosu kalu cez medzeru medzi čiarkovou škrabkou a využíval rotáciu zadného valca a nanášacieho valca na prenos kalu na substrát. Proces je znázornený na obrázku 2. Valčekové prenosové nanášanie povlaku zahŕňa dva základné procesy: (1) Rotácia nanášacieho valca poháňa suspenziu tak, aby prešla medzerou medzi meracími valcami, čím sa vytvorí určitá hrúbka vrstvy suspenzie; (2) Určitá hrúbka vrstvy kaše sa prenesie na fóliu otáčaním nanášacieho valca a zadného valca v opačných smeroch, aby sa vytvoril povlak.

Extruzný náter s úzkymi štrbinami: Ako presná technológia mokrého nanášania, ako je znázornené na obrázku 3, pracovný princíp spočíva v tom, že náterová kvapalina je vytláčaná a striekaná pozdĺž medzier poťahovacej formy pod určitým tlakom a prietokovou rýchlosťou a prenášaná na substrát. . V porovnaní s inými metódami nanášania má mnoho výhod, ako je vysoká rýchlosť nanášania, vysoká presnosť a rovnomerná hrúbka za mokra; Náterový systém je uzavretý, čo môže zabrániť vniknutiu znečisťujúcich látok počas procesu náteru. Miera využitia kalu je vysoká a vlastnosti kalu sú stabilné. Môže byť potiahnutý vo viacerých vrstvách súčasne. A dokáže sa prispôsobiť rôznym rozsahom viskozity suspenzie a obsahu pevných látok a má silnejšiu prispôsobivosť v porovnaní s technológiou prenosového náteru.

03

Poruchy povlaku a ovplyvňujúce faktory

Zníženie defektov povlaku, zlepšenie kvality a výťažnosti povlaku a zníženie nákladov počas procesu povlakovania sú dôležité aspekty, ktoré je potrebné študovať v procese povlakovania. Bežné problémy, ktoré sa vyskytujú v procese poťahovania, sú hrubá hlava a tenký chvost, hrubé okraje na oboch stranách, tmavé škvrny, drsný povrch, odkrytá fólia a iné chyby. Hrúbka hlavy a chvosta môže byť nastavená časom otvárania a zatvárania poťahovacieho ventilu alebo prerušovaného ventilu. Problém hrubých okrajov je možné zlepšiť úpravou vlastností kaše, poťahovej medzery, prietoku kaše atď. Drsnosť povrchu, nerovnosti a pruhy je možné zlepšiť stabilizáciou fólie, znížením rýchlosti, nastavením uhla vzduchu nôž atď.

Substrát – kaša

Vzťah medzi základnými fyzikálnymi vlastnosťami suspenzie a povlaku: V skutočnom procese má viskozita suspenzie určitý vplyv na účinok povlaku. Viskozita pripravenej suspenzie sa mení v závislosti od surovín elektródy, pomeru suspenzie a typu zvoleného spojiva. Keď je viskozita suspenzie príliš vysoká, poťahovanie často nemôže byť uskutočňované kontinuálne a stabilne a je ovplyvnený aj účinok poťahovania.

Rovnomernosť, stálosť, okrajové a povrchové účinky náterového roztoku sú ovplyvnené reologickými vlastnosťami náterového roztoku, ktoré priamo určujú kvalitu náteru. Teoretická analýza, experimentálne techniky poťahovania, techniky konečných prvkov dynamiky tekutín a ďalšie výskumné metódy sa môžu použiť na štúdium okna poťahovania, čo je prevádzkový rozsah procesu pre stabilné poťahovanie a získanie rovnomerného poťahu.

Substrát - Medená fólia a hliníková fólia

Povrchové napätie: Povrchové napätie medenej hliníkovej fólie musí byť vyššie ako povrchové napätie potiahnutého roztoku, v opačnom prípade sa bude roztok ťažko roztierať naplocho na podklad, čo má za následok zlú kvalitu náteru. Jedna zásada, ktorú treba dodržiavať, je, že povrchové napätie roztoku, ktorý sa má potiahnuť, by malo byť o 5 dynov/cm nižšie ako povrchové napätie substrátu, aj keď ide len o hrubý odhad. Povrchové napätie roztoku a substrátu je možné upraviť úpravou receptúry alebo povrchovej úpravy substrátu. Meranie povrchového napätia medzi nimi by sa malo tiež považovať za testovaný predmet kontroly kvality.

Rovnomerná hrúbka: V procese podobnom náteru škrabkou môže nerovnomerná hrúbka priečneho povrchu substrátu viesť k nerovnomernej hrúbke náteru. Pretože v procese nanášania je hrúbka povlaku riadená medzerou medzi škrabkou a substrátom. Ak je vodorovne menšia hrúbka substrátu, touto oblasťou prejde viac roztoku a hrúbka povlaku bude tiež hrubšia a naopak. Ak je na hrúbkomere vidieť kolísanie hrúbky podkladu, bude aj konečné kolísanie hrúbky filmu vykazovať rovnakú odchýlku. Okrem toho môže bočná odchýlka hrúbky tiež viesť k poruchám vinutia. Aby sa predišlo takýmto defektom, je dôležité kontrolovať hrúbku surovín

Statická elektrina: Na nanášacej linke vzniká na povrchu substrátu pri odvíjaní a prechode cez valce veľké množstvo statickej elektriny. Generovaná statická elektrina môže ľahko adsorbovať vzduch a vrstvu popola na valci, čo vedie k defektom povlaku. Počas procesu výboja môže statická elektrina spôsobiť aj elektrostatické poruchy vzhľadu na povrchu náteru a čo je vážnejšie, môže dokonca spôsobiť požiar. Ak je vlhkosť v zime nízka, problém so statickou elektrinou na nanášacej linke bude výraznejší. Najúčinnejším spôsobom, ako znížiť takéto chyby, je udržiavať vlhkosť prostredia na čo najvyššej úrovni, uzemniť poťahový drôt a nainštalovať niektoré antistatické zariadenia.

Čistota: Nečistoty na povrchu podkladu môžu spôsobiť niektoré fyzikálne defekty, ako sú výčnelky, nečistoty a pod. Takže pri procese výroby podkladov je potrebné dobre kontrolovať čistotu surovín. Online valce na čistenie membrán sú pomerne účinnou metódou na odstránenie nečistôt z podkladu. Aj keď nie všetky nečistoty na membráne sa dajú odstrániť, dokáže efektívne zlepšiť kvalitu surovín a znížiť straty.

04

Mapa defektov pólov lítiovej batérie

【1】 Poruchy bublín v povlaku zápornej elektródy lítium-iónových batérií

Záporná elektródová doska s bublinami na ľavom obrázku a 200-násobné zväčšenie rastrovacieho elektrónového mikroskopu na pravom obrázku. Počas procesu miešania, prepravy a poťahovania sa prach alebo dlhé vločky a iné cudzie predmety primiešavajú do poťahovacieho roztoku alebo padajú na povrch vlhkého náteru. Povrchové napätie povlaku v tomto bode je ovplyvnené vonkajšími silami, čo spôsobuje zmeny medzimolekulových síl, čo vedie k miernemu prenosu kaše. Po vysušení sa vytvoria kruhové značky s tenkým stredom.

【2】 Dierka

Jedným z nich je vytváranie bublín (proces miešania, proces prepravy, proces poťahovania); Dierkový defekt spôsobený bublinami je pomerne ľahko pochopiteľný. Bubliny vo vlhkom filme migrujú z vnútornej vrstvy na povrch filmu a praskajú na povrchu a vytvárajú dierkový defekt. Bubliny pochádzajú hlavne zo zlej tekutosti, zlého vyrovnania a zlého uvoľňovania bublín počas miešania, prepravy kvapaliny a procesov poťahovania.

【3】 Škrabance

Možné príčiny: Cudzie predmety alebo veľké častice uviaznuté v úzkej medzere alebo medzivrstve, zlá kvalita substrátu, ktorá spôsobuje, že cudzie predmety zablokujú nanášaciu medzeru medzi nanášacím valcom a zadným valcom a poškodenie okraja formy.

【4】 Hrubý okraj

Príčina tvorby hrubých okrajov je spôsobená povrchovým napätím kalu, ktoré spôsobuje migráciu kalu smerom k nepotiahnutému okraju elektródy, pričom po vysušení vytvára hrubé okraje.

【5】 Agregované častice na povrchu zápornej elektródy

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

Makromorfológia polarizátorov s dvoma rôznymi procesmi miešania: hladký povrch (vľavo) a prítomnosť veľkého počtu malých častíc na povrchu (vpravo)

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

Zväčšená morfológia malých častíc na povrchu elektródy (a a b): Agregáty vodivých činidiel, nie úplne rozptýlené.

Zväčšená morfológia polarizátorov s hladkým povrchom: Vodivé činidlo je úplne rozptýlené a rovnomerne rozložené.

【6】 Aglomerované častice na povrchu kladnej elektródy

Vzorec: NCA + acetylénová čerň + PVDF + NMP

Počas procesu miešania je vlhkosť prostredia príliš vysoká, čo spôsobuje, že kaša sa stáva rôsolovitou, vodivé činidlo nie je úplne rozptýlené a na povrchu polarizátora je po valcovaní veľké množstvo častíc.

【7】 Trhliny v polárnych platniach vodného systému

Vzorec: NMC532/sadze/spojivo = 90/5/5 % hmotn., rozpúšťadlo voda/izopropanol (IPA)

Optické fotografie povrchových trhlín na polarizátoroch s hustotou povlaku (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 a (d) 25 mg/cm2. Hrubšie polarizátory sú náchylnejšie na praskliny.

【8】 Zmrštenie na povrchu polarizátora

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

Prítomnosť častíc znečisťujúcich látok na povrchu fólie má za následok oblasť s nízkym povrchovým napätím vlhkého filmu na povrchu častíc. Kvapalný film vyžaruje a migruje smerom k okraju častíc, pričom vytvára defekty v bode zmrštenia.

【9】 Škrabance na povrchu elektródy

Vzorec: NMC532+SP+PVdF+NMP

Extrudný povlak s úzkym švom s veľkými časticami na reznej hrane, ktoré spôsobujú presakovanie fólie a škrabance na povrchu elektródy.

【10】 Náter zvislých pruhov

Vzorec: NCA+SP+PVdF+NMP

V neskoršom štádiu prenosového náteru sa viskozita suspenzie absorpcie vody zvyšuje, pričom sa počas nanášania približuje k hornej hranici náterového okna, čo má za následok zlé vyrovnanie suspenzie a vytváranie zvislých pruhov.

【11】 Trhliny pri lisovaní valcovaním v oblasti, kde polárny film nie je úplne vysušený

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

Počas nanášania nie je stredná oblasť polarizátora úplne suchá a počas valcovania povlak migruje a vytvára trhliny v tvare pásika.

【12】 Vrásky okrajov lisovania polárneho valca

Fenomén hrubých hrán vytvorených povlakom, lisovaním valčekom a zvrásnením okrajov povlaku

【13】 Negatívny povlak na rezanie elektródy oddelený od fólie

Zloženie: prírodný grafit+acetylénová čerň+CMC/SBR+destilovaná voda, pomer účinných látok 96%

Po odrezaní polárneho disku sa povlak a fólia oddelia.

【14】 Otrepy na rezanie hrán

Počas rezania kotúča kladnej elektródy vedie nestabilná regulácia napätia k tvorbe otrepov fólie počas sekundárneho rezania.

【15】 Okraj reznej vlny polárneho plátku

Pri rezaní kotúča zápornej elektródy sa v dôsledku nevhodného prekrytia a tlaku rezných čepelí vytvárajú vlnité okraje a odlupovanie povlaku rezu.

【16】 Medzi ďalšie bežné defekty povlaku patrí infiltrácia vzduchu, bočné vlny, ochabnutie, Rivulet, expanzia, poškodenie vodou atď.

Chyby sa môžu vyskytnúť v ktorejkoľvek fáze spracovania: príprava náteru, výroba substrátu, operácia substrátu, oblasť náteru, oblasť sušenia, rezanie, rezanie, valcovanie atď. Aká je všeobecná logická metóda na riešenie chýb?

1.Počas procesu od pilotnej výroby po výrobu je potrebné optimalizovať vzorec produktu, proces nanášania a sušenia a nájsť relatívne dobré alebo široké procesné okno.

2. Na kontrolu kvality produktov používajte niektoré metódy kontroly kvality a štatistické nástroje (SPC). Monitorovaním a riadením stabilnej hrúbky náteru online alebo použitím systému vizuálnej kontroly vzhľadu (Visual System) na kontrolu defektov na povrchu náteru.

3. Keď sa vyskytnú chyby produktu, upravte proces včas, aby ste sa vyhli opakovaným chybám.

05

Rovnomernosť náteru

Takzvaná rovnomernosť povlaku sa týka konzistencie rozloženia hrúbky povlaku alebo množstva lepidla v oblasti povlaku. Čím lepšia je konzistencia hrúbky náteru alebo množstva lepidla, tým lepšia je rovnomernosť náteru a naopak. Neexistuje jednotný index merania rovnomernosti náteru, ktorý možno merať odchýlkou ​​alebo percentuálnou odchýlkou ​​hrúbky náteru alebo množstva lepidla v každom bode v určitej oblasti vzhľadom na priemernú hrúbku náteru alebo množstvo lepidla v tejto oblasti, alebo rozdiel medzi maximálnou a minimálnou hrúbkou náteru alebo množstvom lepidla v určitej oblasti. Hrúbka povlaku sa zvyčajne vyjadruje v µm.

Rovnomernosť náteru sa používa na vyhodnotenie celkového stavu náteru v oblasti. Ale pri skutočnej výrobe nám väčšinou záleží viac na rovnomernosti v horizontálnom aj vertikálnom smere podkladu. Takzvaná horizontálna rovnomernosť sa týka rovnomernosti smeru šírky povlaku (alebo horizontálneho smeru stroja). Takzvaná pozdĺžna rovnomernosť sa týka rovnomernosti v smere dĺžky povlaku (alebo v smere pohybu substrátu).

Existujú značné rozdiely vo veľkosti, ovplyvňujúcich faktoroch a metódach kontroly horizontálnych a vertikálnych chýb nanášania lepidla. Vo všeobecnosti platí, že čím väčšia je šírka substrátu (alebo povlaku), tým ťažšie je kontrolovať bočnú rovnomernosť. Na základe dlhoročných praktických skúseností s online náterom, keď je šírka substrátu menšia ako 800 mm, je bočná rovnomernosť zvyčajne ľahko zaručená; Keď je šírka substrátu medzi 1300-1800 mm, bočná rovnomernosť môže byť často dobre kontrolovaná, ale je tu určitý problém a vyžaduje sa značná úroveň profesionality; Pri šírke substrátu nad 2000 mm je kontrola priečnej rovnomernosti veľmi obtiažna a len málo výrobcov to dokáže dobre zvládnuť. Keď sa výrobná dávka (t. j. dĺžka povlaku) zväčší, pozdĺžna rovnomernosť sa môže stať väčším problémom alebo výzvou ako priečna rovnomernosť.