فرآیند پوشش و عیوب باتری های لیتیومی

فرآیند پوشش و عیوب باتری های لیتیومی

01

تاثیر فرآیند پوشش بر عملکرد باتری های لیتیومی

پوشش قطبی به طور کلی به فرآیند پوشش یکنواخت دوغاب هم زده روی یک کلکتور جریان و خشک کردن حلال های آلی در دوغاب اشاره دارد. اثر پوشش تأثیر قابل توجهی بر ظرفیت باتری، مقاومت داخلی، عمر چرخه و ایمنی دارد و پوشش یکنواخت الکترود را تضمین می کند. انتخاب روش‌های پوشش و پارامترهای کنترل تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی دارد که عمدتاً در موارد زیر آشکار می‌شود:

1) کنترل دمای خشک کردن برای پوشش: اگر دمای خشک کردن در طول پوشش خیلی کم باشد، نمی تواند خشک شدن کامل الکترود را تضمین کند. اگر دما خیلی بالا باشد، ممکن است به دلیل تبخیر سریع حلال های آلی در داخل الکترود باشد که منجر به ترک خوردن، پوسته شدن و سایر پدیده های روی پوشش سطح الکترود می شود.

2) چگالی سطح پوشش: اگر چگالی سطح پوشش خیلی کم باشد، ظرفیت باتری ممکن است به ظرفیت اسمی نرسد. اگر چگالی سطح پوشش بیش از حد بالا باشد، به راحتی باعث هدر رفتن مواد می شود. در موارد شدید، اگر ظرفیت الکترود مثبت بیش از حد وجود داشته باشد، دندریت‌های لیتیوم به دلیل بارش لیتیوم تشکیل می‌شوند، جداکننده باتری را سوراخ می‌کنند و باعث اتصال کوتاه می‌شوند که خطر ایمنی ایجاد می‌کند.

3) اندازه پوشش: اگر اندازه پوشش خیلی کوچک یا خیلی بزرگ باشد، ممکن است باعث شود که الکترود مثبت داخل باتری به طور کامل توسط الکترود منفی پوشانده نشود. در طول فرآیند شارژ، یون های لیتیوم از الکترود مثبت جاسازی می شوند و به الکترولیتی می روند که به طور کامل توسط الکترود منفی پوشانده نشده است. از ظرفیت واقعی الکترود مثبت نمی توان به طور موثر استفاده کرد. در موارد شدید، دندریت های لیتیومی ممکن است در داخل باتری ایجاد شوند که می توانند به راحتی جداکننده را سوراخ کرده و باعث آسیب به مدار داخلی شوند.

4) ضخامت پوشش: اگر ضخامت پوشش بیش از حد نازک یا خیلی ضخیم باشد، بر فرآیند نورد الکترود بعدی تأثیر می گذارد و نمی تواند ثبات عملکرد الکترود باتری را تضمین کند.

علاوه بر این، پوشش الکترود برای ایمنی باتری ها اهمیت زیادی دارد. قبل از پوشش، کار 5S باید انجام شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ ذره، زباله، گرد و غبار و غیره در طول فرآیند پوشش در الکترود مخلوط نمی شود. اگر هر گونه زباله مخلوط شود، باعث ایجاد یک اتصال کوتاه میکرو در داخل باتری می شود که در موارد شدید می تواند منجر به آتش سوزی و انفجار شود.

02

انتخاب تجهیزات پوشش و فرآیند پوشش

فرآیند کلی پوشش شامل: بازکردن → اتصال → کشیدن → کنترل کشش → پوشش → خشک کردن → اصلاح → کنترل کشش → اصلاح → سیم پیچی و سایر فرآیندها. فرآیند پوشش پیچیده است و همچنین عوامل زیادی بر اثر پوشش تأثیر می گذارند، مانند دقت ساخت تجهیزات پوشش، نرمی عملکرد تجهیزات، کنترل کشش دینامیکی در طول فرآیند پوشش، اندازه جریان هوا در طول فرآیند پوشش. فرآیند خشک کردن و منحنی کنترل دما. بنابراین، انتخاب یک فرآیند پوشش مناسب بسیار مهم است.

در انتخاب کلی روش پوشش باید جنبه های زیر در نظر گرفته شود، از جمله: تعداد لایه هایی که قرار است پوشش داده شود، ضخامت پوشش مرطوب، خواص رئولوژیکی مایع پوشش، دقت پوشش مورد نیاز، حمایت از پوشش یا بستر، و سرعت پوشش

علاوه بر عوامل فوق، باید وضعیت و ویژگی های خاص پوشش الکترود را نیز در نظر گرفت. ویژگی های پوشش الکترود باتری لیتیوم یون عبارتند از: ① پوشش تک لایه دو طرفه. ② پوشش مرطوب دوغاب نسبتاً ضخیم است (100-300 میکرومتر) ③ دوغاب یک سیال با ویسکوزیته بالا غیر نیوتنی است. ④ نیاز به دقت برای پوشش فیلم قطبی، مشابه پوشش فیلم زیاد است. ⑤ بدنه پشتیبانی پوشش با ضخامت 10-20 μ فویل آلومینیوم و فویل مسی متر؛ ⑥ در مقایسه با سرعت پوشش فیلم، سرعت پوشش فیلم قطبی زیاد نیست. با در نظر گرفتن عوامل فوق، تجهیزات آزمایشگاهی عمومی اغلب از نوع اسکراپر استفاده می کنند، باتری های لیتیوم یون مصرفی اغلب از نوع انتقال پوشش غلتکی استفاده می کنند و باتری های قدرت اغلب از روش اکستروژن باریک استفاده می کنند.

پوشش اسکراپر: اصل کار در شکل 1 نشان داده شده است. بستر فویل از غلتک پوشش عبور می کند و مستقیماً با مخزن دوغاب تماس می گیرد. دوغاب اضافی روی بستر فویل اعمال می شود. هنگامی که بستر بین غلتک پوشش و اسکراپر عبور می کند، شکاف بین اسکراپر و زیرلایه ضخامت پوشش را تعیین می کند. در همان زمان، دوغاب اضافی خراشیده شده و رفلکس می شود و یک پوشش یکنواخت روی سطح بستر ایجاد می کند. انواع اصلی اسکراپرها اسکرابرهای ویرگول هستند. اسکراپر کاما یکی از اجزای کلیدی در سر پوشش است. به طور کلی در امتداد ژنراتیکس روی سطح غلتک دایره ای ماشین کاری می شود تا تیغه ای مانند کاما تشکیل دهد. این نوع اسکراپر استحکام و سختی بالایی دارد و میزان پوشش و دقت آن را به راحتی کنترل می کند و برای دوغاب هایی با محتوای جامد بالا و ویسکوزیته بالا مناسب است.

نوع انتقال روکش غلتکی: غلتک پوشش برای به حرکت درآوردن دوغاب می چرخد، مقدار انتقال دوغاب را از طریق شکاف بین اسکراپر کاما تنظیم می کند و از چرخش غلتک پشتی و غلتک پوشش برای انتقال دوغاب به زیرلایه استفاده می کند. این فرآیند در شکل 2 نشان داده شده است. پوشش انتقال پوشش غلتکی شامل دو فرآیند اساسی است: (1) چرخش غلتک پوشش، دوغاب را به سمت عبور از شکاف بین غلتک های اندازه گیری هدایت می کند و ضخامت خاصی از لایه دوغاب را تشکیل می دهد. (2) ضخامت مشخصی از لایه دوغاب با چرخاندن غلتک پوشش و غلتک پشتی در جهات مخالف به فویل منتقل می شود تا یک پوشش تشکیل شود.

پوشش اکستروژن با شکاف باریک: همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، به عنوان یک فناوری پوشش مرطوب دقیق، اصل کار این است که مایع پوشش اکسترود شده و در امتداد شکاف های قالب پوشش تحت فشار و سرعت جریان معینی پاشیده می شود و به زیرلایه منتقل می شود. . در مقایسه با سایر روش های پوشش، مزایای زیادی مانند سرعت پوشش دهی سریع، دقت بالا و ضخامت مرطوب یکنواخت دارد. سیستم پوشش محصور است که می تواند از ورود آلاینده ها در طول فرآیند پوشش جلوگیری کند. نرخ استفاده از دوغاب بالا است و خواص دوغاب پایدار است. می توان آن را در چندین لایه به طور همزمان پوشش داد. و می تواند با دامنه های مختلف ویسکوزیته دوغاب و محتوای جامد سازگار شود و در مقایسه با فناوری پوشش انتقال، سازگاری قوی تری دارد.

03

عیوب پوشش و عوامل موثر بر آن

کاهش عیوب پوشش، بهبود کیفیت و عملکرد پوشش و کاهش هزینه ها در طول فرآیند پوشش، جنبه های مهمی هستند که باید در فرآیند پوشش مورد مطالعه قرار گیرند. مشکلات رایجی که در فرآیند پوشش رخ می دهد عبارتند از: سر ضخیم و دم نازک، لبه های ضخیم در دو طرف، لکه های تیره، سطح ناهموار، فویل در معرض و سایر عیوب. ضخامت سر و دم را می توان با زمان باز و بسته شدن شیر پوشش یا شیر متناوب تنظیم کرد. مشکل لبه های ضخیم را می توان با تنظیم خواص دوغاب، شکاف پوشش، سرعت جریان دوغاب و غیره بهبود بخشید. زبری سطح، ناهمواری و نوارها را می توان با تثبیت فویل، کاهش سرعت، تنظیم زاویه هوا بهبود بخشید. چاقو و غیره

بستر - دوغاب

رابطه بین خواص فیزیکی اولیه دوغاب و پوشش: در فرآیند واقعی، ویسکوزیته دوغاب تأثیر خاصی بر اثر پوشش دارد. ویسکوزیته دوغاب تهیه شده بسته به مواد اولیه الکترود، نسبت دوغاب و نوع چسب انتخابی متفاوت است. هنگامی که ویسکوزیته دوغاب بیش از حد بالا باشد، پوشش اغلب نمی تواند به طور مداوم و پایدار انجام شود و اثر پوشش نیز تحت تأثیر قرار می گیرد.

یکنواختی، پایداری، لبه و اثرات سطحی محلول پوشش تحت تأثیر خواص رئولوژیکی محلول پوششی است که به طور مستقیم کیفیت پوشش را تعیین می کند. تحلیل نظری، تکنیک‌های آزمایشی پوشش، تکنیک‌های المان محدود دینامیک سیالات و سایر روش‌های تحقیقاتی را می‌توان برای مطالعه پنجره پوشش، که محدوده عملیات فرآیند برای پوشش پایدار و به دست آوردن پوشش یکنواخت است، استفاده کرد.

بستر - فویل مسی و فویل آلومینیومی

کشش سطحی: کشش سطحی فویل آلومینیومی مسی باید بیشتر از کشش سطحی محلول پوشش داده شده باشد، در غیر این صورت به سختی محلول به صورت صاف روی سطح پخش می شود و در نتیجه کیفیت پوشش پایینی دارد. یکی از اصولی که باید رعایت شود این است که کشش سطحی محلولی که قرار است پوشش داده شود باید 5 Dynes/cm کمتر از سطح زیرلایه باشد، اگرچه این فقط یک تخمین تقریبی است. کشش سطحی محلول و بستر را می توان با تنظیم فرمول یا عملیات سطحی زیرلایه تنظیم کرد. اندازه گیری کشش سطحی بین این دو نیز باید به عنوان یک آیتم تست کنترل کیفیت در نظر گرفته شود.

ضخامت یکنواخت: در فرآیندی شبیه به پوشش اسکراپر، ضخامت ناهموار سطح عرضی بستر می تواند منجر به ضخامت پوشش ناهموار شود. زیرا در فرآیند پوشش، ضخامت پوشش توسط شکاف بین اسکراپر و زیرلایه کنترل می شود. اگر ضخامت بستر به صورت افقی کمتر باشد، محلول بیشتری از آن ناحیه عبور می کند و ضخامت پوشش نیز ضخیم تر می شود و بالعکس. اگر نوسان ضخامت زیرلایه از ضخامت سنج قابل مشاهده باشد، نوسان ضخامت لایه نهایی نیز همین انحراف را نشان می دهد. علاوه بر این، انحراف ضخامت جانبی نیز می تواند منجر به نقص در سیم پیچ شود. بنابراین برای جلوگیری از چنین عیوب، کنترل ضخامت مواد اولیه مهم است

الکتریسیته ساکن: در خط پوشش، الکتریسیته ساکن زیادی در هنگام باز کردن و عبور از غلتک ها روی سطح بستر ایجاد می شود. الکتریسیته ساکن تولید شده می تواند به راحتی هوا و لایه خاکستر روی غلتک را جذب کند و در نتیجه نقص پوشش ایجاد شود. در طول فرآیند تخلیه، الکتریسیته ساکن همچنین می تواند باعث نقص ظاهری الکترواستاتیک در سطح پوشش شود و به طور جدی تر، حتی می تواند باعث آتش سوزی شود. اگر رطوبت در زمستان کم باشد، مشکل الکتریسیته ساکن در خط پوشش برجسته تر خواهد بود. موثرترین راه برای کاهش چنین عیوب، حفظ رطوبت محیط تا حد امکان، زمین زدن سیم پوشش و نصب برخی دستگاه های ضد الکتریسیته ساکن است.

تمیزی: ناخالصی های سطح زیرلایه می تواند باعث ایجاد برخی عیوب فیزیکی مانند برآمدگی، کثیفی و ... شود بنابراین در فرآیند تولید زیرلایه ها لازم است تمیزی مواد اولیه به خوبی کنترل شود. غلتک های آنلاین تمیز کننده غشاء روشی نسبتاً مؤثر برای از بین بردن ناخالصی های زیرلایه هستند. اگرچه تمام ناخالصی های روی غشا را نمی توان حذف کرد، اما می تواند به طور موثر کیفیت مواد خام را بهبود بخشد و تلفات را کاهش دهد.

04

نقشه نقص قطب های باتری لیتیومی

【1】 نقص حباب در پوشش الکترود منفی باتری های لیتیوم یون

صفحه الکترود منفی با حباب در تصویر سمت چپ و بزرگنمایی 200 برابر میکروسکوپ الکترونی روبشی در تصویر سمت راست. در طول فرآیند اختلاط، حمل و نقل و پوشش، گرد و غبار یا لخته های طولانی و سایر اجسام خارجی در محلول پوشش مخلوط می شوند یا بر روی سطح پوشش مرطوب می افتند. کشش سطحی پوشش در این نقطه تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار می گیرد و باعث ایجاد تغییراتی در نیروهای بین مولکولی می شود و در نتیجه دوغاب انتقال ملایمی ایجاد می کند. پس از خشک شدن، علائم دایره ای شکل می گیرد، با یک مرکز نازک.

【2】 سوراخ سوراخ

یکی تولید حباب ها (فرآیند هم زدن، فرآیند حمل و نقل، فرآیند پوشش) است. درک نقص سوراخ سوزنی ناشی از حباب ها نسبتاً آسان است. حباب‌های موجود در لایه مرطوب از لایه داخلی به سطح فیلم مهاجرت می‌کنند و روی سطح پاره می‌شوند و یک نقص سوراخ سوزنی ایجاد می‌کنند. حباب ها عمدتاً از سیالیت ضعیف، تسطیح ضعیف و انتشار ضعیف حباب ها در طول فرآیندهای اختلاط، انتقال مایع و پوشش می آیند.

【3】 خراش

علل احتمالی: گیرکردن اجسام خارجی یا ذرات بزرگ در شکاف باریک یا شکاف پوشش، کیفیت پایین بستر، باعث مسدود شدن اجسام خارجی شکاف پوشش بین غلتک پوشش و غلتک پشتی و آسیب به لبه قالب می‌شود.

【4】 لبه ضخیم

دلیل تشکیل لبه های ضخیم کشش سطحی دوغاب است که باعث می شود دوغاب به سمت لبه بدون پوشش الکترود مهاجرت کند و پس از خشک شدن لبه های ضخیم را تشکیل دهد.

【5】 ذرات انباشته شده روی سطح الکترود منفی

فرمول: گرافیت کروی + SUPER C65 + CMC + آب مقطر

مورفولوژی ماکرو پلاریزرها با دو فرآیند همزن متفاوت: سطح صاف (سمت چپ) و وجود تعداد زیادی ذرات کوچک روی سطح (راست)

فرمول: گرافیت کروی + SUPER C65 + CMC / SBR + آب مقطر

مورفولوژی بزرگ شده ذرات کوچک روی سطح الکترود (a و b): توده‌های عوامل رسانا، کاملاً پراکنده نیستند.

مورفولوژی بزرگ شده پلاریزه کننده های سطح صاف: عامل رسانا به طور کامل پراکنده و به طور یکنواخت توزیع شده است.

【6】 ذرات آگلومره شده روی سطح الکترود مثبت

فرمول: NCA + استیلن سیاه + PVDF + NMP

در طول فرآیند اختلاط، رطوبت محیطی بیش از حد بالا است و باعث می شود دوغاب ژله ای شود، عامل رسانا به طور کامل پراکنده نمی شود و تعداد زیادی ذرات پس از نورد روی سطح پلاریزه کننده وجود دارد.

【7】 ترک در صفحات قطبی سیستم آب

فرمول: NMC532/کربن سیاه/بایندر=90/5/5 وزنی، حلال آب/ایزوپروپانول (IPA)

عکس های نوری ترک های سطحی روی پلاریزرها، با تراکم پوشش به ترتیب (a) 15 mg/cm2، (b) 17.5 mg/cm2، (c) 20 mg/cm2 و (d) 25 mg/cm2. پلارایزرهای ضخیم بیشتر مستعد ترک هستند.

【8】 جمع شدگی در سطح پلاریزه کننده

فرمول: گرافیت پولکی + SP + CMC / SBR + آب مقطر

وجود ذرات آلاینده بر روی سطح فویل منجر به ایجاد ناحیه کشش سطحی کم لایه مرطوب بر روی سطح ذرات می شود. فیلم مایع ساطع می شود و به سمت حاشیه ذرات مهاجرت می کند و نقص نقطه انقباض را تشکیل می دهد.

【9】 خراش روی سطح الکترود

فرمول: NMC532+SP+PVdF+NMP

پوشش اکستروژن درز باریک، با ذرات بزرگ روی لبه برش که باعث نشت فویل و خراش روی سطح الکترود می شود.

【10】 پوشش راه راه عمودی

فرمول: NCA+SP+PVdF+NMP

در مرحله بعدی پوشش انتقال، ویسکوزیته جذب آب دوغاب افزایش می یابد و در حین پوشش به حد بالایی پنجره پوشش نزدیک می شود و در نتیجه تسطیح ضعیف دوغاب و ایجاد نوارهای عمودی ایجاد می شود.

【11】 شکاف های فشرده را در ناحیه ای که لایه قطبی کاملاً خشک نشده است بچرخانید.

فرمول: گرافیت پولکی + SP + CMC / SBR + آب مقطر

در حین پوشش، ناحیه میانی پلاریزه کاملا خشک نمی شود و در هنگام نورد، پوشش مهاجرت کرده و ترک های نواری شکل ایجاد می کند.

【12】 چین و چروک لبه پرس غلتکی قطبی

پدیده لبه های ضخیم که در اثر پوشش، پرس غلتکی و چروک شدن لبه های پوشش ایجاد می شود.

【13】 پوشش برش الکترود منفی از فویل جدا شده است

فرمول: گرافیت طبیعی + استیلن سیاه + CMC / SBR + آب مقطر، نسبت ماده فعال 96٪

هنگامی که دیسک قطبی بریده می شود، پوشش و فویل جدا می شوند.

【14】 فرزهای برش لبه

در حین برش دیسک الکترود مثبت، کنترل تنش ناپایدار منجر به تشکیل سوراخ های فویل در حین برش ثانویه می شود.

【15】 لبه موج برش برش قطبی

در حین برش دیسک الکترود منفی، به دلیل همپوشانی و فشار نامناسب تیغه های برش، لبه های موج و جدا شدن پوشش برش ایجاد می شود.

【16】 سایر عیوب رایج پوشش شامل نفوذ هوا، امواج جانبی، افتادگی، رودخانه، انبساط، آسیب آب و غیره است.

عیوب ممکن است در هر مرحله فرآوری رخ دهد: آماده سازی پوشش، تولید زیرلایه، عملیات زیرلایه، ناحیه پوشش، ناحیه خشک کردن، برش، بریدگی، فرآیند نورد و غیره. روش منطقی کلی برای حل عیوب چیست؟

1. در طول فرآیند از تولید آزمایشی تا تولید، لازم است فرمول محصول، فرآیند پوشش و خشک کردن بهینه شود و یک پنجره فرآیند نسبتا خوب یا گسترده پیدا شود.

2. از برخی روش های کنترل کیفیت و ابزارهای آماری (SPC) برای کنترل کیفیت محصولات استفاده کنید. با نظارت و کنترل ضخامت پوشش پایدار به صورت آنلاین یا استفاده از سیستم بازرسی ظاهری بصری (Visual System) برای بررسی عیوب روی سطح پوشش.

3. هنگامی که نقص محصول رخ می دهد، فرآیند را به موقع تنظیم کنید تا از عیوب مکرر جلوگیری کنید.

05

یکنواختی پوشش

به اصطلاح یکنواختی پوشش به ثبات توزیع ضخامت پوشش یا مقدار چسب در ناحیه پوشش اشاره دارد. هرچه قوام ضخامت پوشش یا مقدار چسب بهتر باشد، یکنواختی پوشش بهتر است و بالعکس. هیچ شاخص اندازه گیری یکنواختی برای یکنواختی پوشش وجود ندارد، که می تواند با انحراف یا درصد انحراف ضخامت پوشش یا مقدار چسب در هر نقطه در یک منطقه خاص نسبت به میانگین ضخامت پوشش یا مقدار چسب در آن ناحیه اندازه گیری شود. تفاوت بین حداکثر و حداقل ضخامت پوشش یا مقدار چسب در یک منطقه خاص. ضخامت پوشش معمولاً بر حسب µm بیان می شود.

یکنواختی پوشش برای ارزیابی وضعیت پوشش کلی یک منطقه استفاده می شود. اما در تولید واقعی، ما معمولا بیشتر به یکنواختی در هر دو جهت افقی و عمودی بستر اهمیت می دهیم. اصطلاح یکنواختی افقی به یکنواختی جهت عرض پوشش (یا جهت افقی ماشین) اشاره دارد. اصطلاح یکنواختی طولی به یکنواختی در جهت طول پوشش (یا جهت حرکت بستر) اشاره دارد.

تفاوت های قابل توجهی در اندازه، عوامل موثر و روش های کنترل خطاهای اعمال چسب افقی و عمودی وجود دارد. به طور کلی، هرچه عرض بستر (یا پوشش) بیشتر باشد، کنترل یکنواختی جانبی دشوارتر است. بر اساس سال ها تجربه عملی در پوشش آنلاین، زمانی که عرض بستر زیر 800 میلی متر باشد، یکنواختی جانبی معمولاً به راحتی تضمین می شود. هنگامی که عرض بستر بین 1300-1800 میلی متر است، یکنواختی جانبی اغلب می تواند به خوبی کنترل شود، اما دشواری خاصی وجود دارد و سطح قابل توجهی از حرفه ای بودن مورد نیاز است. هنگامی که عرض بستر بالای 2000 میلی متر باشد، کنترل یکنواختی جانبی بسیار دشوار است و تنها تعداد کمی از تولیدکنندگان می توانند آن را به خوبی اداره کنند. هنگامی که دسته تولید (یعنی طول پوشش) افزایش می‌یابد، یکنواختی طولی ممکن است نسبت به یکنواختی عرضی به مشکل یا چالش بزرگ‌تری تبدیل شود.