Процес нанесення покриття та дефекти літієвих батарей

Процес нанесення покриття та дефекти літієвих батарей

01

Вплив процесу нанесення покриття на продуктивність літієвих батарей

Полярне покриття зазвичай відноситься до процесу рівномірного покриття перемішаної суспензії на струмоприймач і сушіння органічних розчинників у суспензії. Ефект покриття має значний вплив на ємність акумулятора, внутрішній опір, термін служби та безпеку, забезпечуючи рівномірне покриття електрода. Вибір методів покриття та контрольних параметрів мають значний вплив на продуктивність літій-іонних акумуляторів, головним чином проявляється в:

1) Контроль температури сушіння для покриття: якщо температура сушіння занадто низька під час нанесення покриття, це не може гарантувати повне висихання електрода. Якщо температура занадто висока, це може бути спричинено швидким випаровуванням органічних розчинників усередині електрода, що призводить до розтріскування, відшарування та інших явищ на поверхневому покритті електрода;

2) Щільність поверхні покриття: якщо щільність поверхні покриття занадто мала, ємність батареї може не досягти номінальної ємності. Якщо поверхнева щільність покриття занадто висока, легко спричинити марну витрату інгредієнтів. У важких випадках, якщо є надмірна ємність позитивного електрода, літієві дендрити будуть утворюватися через випадання літію, пробиваючи сепаратор батареї та спричиняючи коротке замикання, становлячи небезпеку для безпеки;

3) Розмір покриття: якщо розмір покриття занадто малий або занадто великий, це може призвести до того, що позитивний електрод всередині батареї не буде повністю закритий негативним електродом. Під час процесу заряджання іони літію вбудовуються з позитивного електрода та переміщуються в електроліт, який не повністю покритий негативним електродом. Фактична ємність позитивного електрода не може бути ефективно використана. У важких випадках всередині батареї можуть утворюватися літієві дендрити, які можуть легко пробити сепаратор і спричинити пошкодження внутрішньої схеми;

4) Товщина покриття: якщо товщина покриття занадто тонка або занадто товста, це вплине на подальший процес прокатки електрода та не може гарантувати постійну продуктивність електрода акумулятора.

Крім того, покриття електродів має велике значення для безпеки акумуляторів. Перед нанесенням покриття слід виконати роботу 5S, щоб переконатися, що жодні частки, сміття, пил тощо не змішуються з електродом під час процесу нанесення покриття. Якщо будь-яке сміття змішується, це спричинить мікрокоротке замикання всередині батареї, що може призвести до пожежі та вибуху в серйозних випадках.

02

Вибір обладнання для нанесення покриття та процес нанесення покриття

Загальний процес покриття включає: розмотування → зрощування → витягування → контроль натягу → покриття → сушіння → корекція → контроль натягу → корекція → намотування та інші процеси. Процес нанесення покриття є складним, і існує також багато факторів, які впливають на ефект покриття, таких як точність виготовлення обладнання для нанесення покриття, плавність роботи обладнання, контроль динамічного натягу під час процесу нанесення покриття, величина повітряного потоку під час процес сушіння та крива контролю температури. Тому вибір відповідного процесу покриття є надзвичайно важливим.

Загальний вибір методу покриття повинен враховувати наступні аспекти, в тому числі: кількість шарів, що покриваються, товщину вологого покриття, реологічні властивості рідини для покриття, необхідну точність покриття, основу покриття або підкладку та швидкість нанесення покриття.

Крім перерахованих вище факторів, необхідно також враховувати конкретну ситуацію і характеристики електродного покриття. Характеристики електродного покриття літій-іонного акумулятора: ① двостороннє одношарове покриття; ② Вологе покриття суспензії відносно товсте (100-300 мкм). ③ Суспензія є неньютонівською рідиною з високою в'язкістю; ④ Вимоги до точності для полярного плівкового покриття є високими, подібними до вимог плівкового покриття; ⑤ Покриття опорного тіла товщиною 10-20 мкм алюмінієвої фольги та мідної фольги м; ⑥ Порівняно зі швидкістю плівкового покриття швидкість полярного плівкового покриття невисока. Беручи до уваги вищевказані фактори, загальне лабораторне обладнання часто використовує скребковий тип, споживчі літій-іонні батареї часто використовують валиковий тип перенесення покриття, а силові батареї часто використовують метод екструзії з вузьким отвором.

Покриття скребком: принцип роботи показано на малюнку 1. Підкладка з фольги проходить через валик для нанесення покриття та безпосередньо контактує з резервуаром для суспензії. Надлишки кашки наносять на підкладку з фольги. Коли підкладка проходить між валиком для нанесення покриття та скребком, зазор між скребком і підкладкою визначає товщину покриття. У той же час надлишок суспензії зіскрібається і кип'ятиться, утворюючи рівномірне покриття на поверхні субстрату. Основними видами скребків є скребки коми. Скребок кома є одним із ключових компонентів головки для нанесення покриттів. Зазвичай він обробляється вздовж твірної на поверхні круглого ролика, щоб утворити лезо, схоже на кому. Цей тип скребка має високу міцність і твердість, легко контролювати кількість і точність покриття, і підходить для суспензій з високим вмістом твердих речовин і високою в’язкістю.

Роликовий тип перенесення покриття: валик для нанесення покриття обертається, щоб рухати суспензію, регулювати кількість рідини, що передається через зазор між скребком із комою, і використовувати обертання заднього валика та валика для покриття, щоб перенести суспензію на субстрат. Процес показаний на малюнку 2. Перенесення покриття валиком включає два основні процеси: (1) Обертання валика покриття змушує суспензію проходити через зазор між вимірювальними валками, утворюючи певну товщину шару суспензії; (2) Певна товщина шару суспензії переноситься на фольгу шляхом обертання валика для покриття та заднього валика в протилежних напрямках для формування покриття.

Екструзійне покриття з вузькими щілинами: як технологія точного мокрого нанесення покриття, як показано на малюнку 3, принцип роботи полягає в тому, що рідина для покриття екструдується та розпилюється вздовж зазорів форми для покриття під певним тиском і швидкістю потоку та переноситься на підкладку. . Порівняно з іншими методами покриття, він має багато переваг, таких як швидка швидкість покриття, висока точність і рівномірна волога товщина; Система покриття закрита, що може запобігти потраплянню забруднюючих речовин під час процесу покриття. Коефіцієнт використання гною високий, а властивості гною стабільні. Його можна наносити в декілька шарів одночасно. Він може адаптуватися до різних діапазонів в’язкості суспензії та вмісту твердих речовин і має більшу адаптивність порівняно з технологією трансферного покриття.

03

Дефекти покриття та фактори впливу

Зменшення дефектів покриття, покращення якості покриття та продуктивності, а також зниження витрат під час процесу нанесення покриття є важливими аспектами, які необхідно вивчати в процесі нанесення покриття. Поширеними проблемами, які виникають у процесі нанесення покриття, є товста голова та тонкий хвіст, товсті краї з обох сторін, темні плями, шорстка поверхня, оголена фольга та інші дефекти. Товщину голови та хвоста можна регулювати за допомогою часу відкриття та закриття клапана покриття або переривчастого клапана. Проблему товстих країв можна вирішити шляхом регулювання властивостей суспензії, щілини покриття, швидкості потоку суспензії тощо. Шорсткість поверхні, нерівності та смуги можна покращити шляхом стабілізації фольги, зменшення швидкості, регулювання кута повітря. ніж та ін.

Субстрат - Гнойова жижа

Взаємозв’язок між основними фізичними властивостями суспензії та покриття: у фактичному процесі в’язкість суспензії має певний вплив на ефект покриття. В’язкість отриманої суспензії змінюється залежно від сировини для електродів, співвідношення суспензії та типу вибраного сполучного. Коли в'язкість суспензії занадто висока, покриття часто не може виконуватися безперервно та стабільно, і це також впливає на ефект покриття.

На однорідність, стабільність, край і поверхневий ефект розчину для покриття впливають реологічні властивості розчину для покриття, що безпосередньо визначає якість покриття. Теоретичний аналіз, експериментальні методи нанесення покриттів, методи скінченних елементів динаміки рідини та інші методи дослідження можуть бути використані для вивчення вікна покриття, яке є робочим діапазоном процесу для стабільного покриття та отримання однорідного покриття.

Субстрат - мідна фольга та алюмінієва фольга

Поверхневий натяг: поверхневий натяг мідно-алюмінієвої фольги повинен бути вищим, ніж поверхневий натяг розчину з покриттям, інакше розчин буде важко нанести на підкладку, що призведе до низької якості покриття. Одним із принципів, якого слід дотримуватися, є те, що поверхневий натяг розчину, який буде покрито, має бути на 5 дин/см нижчим, ніж натяг основи, хоча це лише приблизна оцінка. Поверхневий натяг розчину та підкладки можна регулювати шляхом регулювання формули або обробки поверхні підкладки. Вимірювання поверхневого натягу між ними також слід розглядати як контроль якості.

Рівномірна товщина: у процесі, подібному до нанесення покриття скребком, нерівномірна товщина поперечної поверхні підкладки може призвести до нерівномірної товщини покриття. Оскільки в процесі нанесення покриття товщина покриття контролюється зазором між скребком і підкладкою. Якщо по горизонталі товщина підкладки менша, через цю ділянку буде проходити більше розчину, і товщина покриття також буде товщі, і навпаки. Якщо коливання товщини підкладки можна побачити за допомогою товщиноміра, остаточне коливання товщини плівки також показуватиме таке саме відхилення. Крім того, бічні відхилення товщини також можуть призвести до дефектів намотування. Тому, щоб уникнути подібних дефектів, важливо контролювати товщину сировини

Статична електрика: на лінії нанесення покриття велика кількість статичної електрики генерується на поверхні підкладки під час нанесення на розмотування та проходження через ролики. Генерована статична електрика може легко адсорбувати повітря та шар попелу на валику, що призводить до дефектів покриття. Під час процесу розряду статична електрика також може спричинити електростатичні дефекти зовнішнього вигляду на поверхні покриття, а що більш серйозно, це може навіть спричинити пожежі. Якщо взимку вологість низька, проблема статичної електрики на лінії покриття буде більш помітною. Найефективніший спосіб зменшити такі дефекти — підтримувати вологість навколишнього середовища якомога вищою, заземлювати дріт із покриттям і встановлювати деякі антистатичні пристрої.

Чистота: Домішки на поверхні основи можуть спричинити деякі фізичні дефекти, такі як виступи, бруд тощо. Тому в процесі виробництва субстратів необхідно добре контролювати чистоту сировини. Валики для очищення мембрани онлайн є відносно ефективним методом видалення забруднень субстрату. Хоча не всі домішки на мембрані можна видалити, це може ефективно покращити якість сировини та зменшити втрати.

04

Карта дефектів полюсів літієвих батарей

【1】 Пухирчасті дефекти в покритті негативного електрода літій-іонних акумуляторів

Пластинка негативного електрода з бульбашками на зображенні ліворуч і 200-кратне збільшення скануючого електронного мікроскопа на зображенні праворуч. Під час процесу змішування, транспортування та нанесення покриття пил або довгі шматки та інші сторонні предмети змішуються з розчином для покриття або потрапляють на поверхню вологого покриття. На поверхневий натяг покриття в цій точці впливають зовнішні сили, що спричиняє зміни міжмолекулярних сил, що призводить до м’якого перенесення суспензії. Після висихання утворюються кругові сліди з тонким центром.

【2】 Пінхол

Один – утворення бульбашок (процес перемішування, процес транспортування, процес нанесення покриття); Точковий дефект, викликаний бульбашками, відносно легко зрозуміти. Бульбашки у вологій плівці мігрують із внутрішнього шару на поверхню плівки та розриваються на поверхні, утворюючи дефект-точку. Бульбашки здебільшого виникають через погану текучість, погане вирівнювання та погане вивільнення бульбашок під час змішування, транспортування рідини та процесів покриття.

【3】 Подряпини

Можливі причини: сторонні предмети або великі частинки застрягли у вузькому зазорі чи зазорі покриття, низька якість підкладки, що спричиняє блокування сторонніми предметами проміжку покриття між валиком для покриття та заднім валиком, а також пошкодження кромки форми.

【4】 Товстий край

Причиною утворення товстих країв є поверхневий натяг суспензії, який змушує суспензію мігрувати до непокритого краю електрода, утворюючи товсті краї після висихання.

【5】 Агреговані частинки на поверхні негативного електрода

Формула: Сферичний графіт+SUPER C65+CMC+дистильована вода

Макроморфологія поляризаторів з двома різними процесами перемішування: гладка поверхня (ліворуч) і наявність великої кількості дрібних частинок на поверхні (праворуч)

Формула: Сферичний графіт+SUPER C65+CMC/SBR+Дистильована вода

Збільшена морфологія дрібних частинок на поверхні електрода (a і b): агрегати провідних агентів, не повністю дисперговані.

Розширена морфологія поляризаторів з гладкою поверхнею: провідний агент повністю диспергований і рівномірно розподілений.

【6】 Агломеровані частинки на поверхні позитивного електрода

Формула: NCA+ацетиленовий чорний+PVDF+NMP

Під час процесу змішування вологість навколишнього середовища занадто висока, через що суспензія стає желеподібною, провідний агент не повністю диспергується, і на поверхні поляризатора після прокатки залишається велика кількість частинок.

【7】 Тріщини в полярних пластинах водопровідної системи

Формула: NMC532/технічний вуглець/зв’язуюча речовина=90/5/5 мас.%, розчинник вода/ізопропанол (IPA)

Оптичні фотографії поверхневих тріщин на поляризаторах із щільністю покриття 15 мг/см2 (а), 17,5 мг/см2 (б), 20 мг/см2 (в) і 25 мг/см2 (г) відповідно. Товсті поляризатори більш схильні до тріщин.

【8】 Усадка на поверхні поляризатора

Формула: лусковий графіт+SP+CMC/SBR+дистильована вода

Присутність частинок забруднюючих речовин на поверхні фольги призводить до низького поверхневого натягу вологої плівки на поверхні частинок. Плівка рідини виділяється та мігрує до периферії частинок, утворюючи точкові дефекти усадки.

【9】 Подряпини на поверхні електрода

Формула: NMC532+SP+PVdF+NMP

Екструзійне покриття з вузьким швом із великими частинками на ріжучій кромці, що спричиняє витік фольги та подряпини на поверхні електрода.

【10】 Нанесення вертикальних смуг

Формула: NCA+SP+PVdF+NMP

На пізнішій стадії нанесення покриття водопоглинальна в’язкість суспензії збільшується, наближаючись до верхньої межі вікна покриття під час нанесення покриття, що призводить до поганого вирівнювання суспензії та утворення вертикальних смуг.

【11】 Натиснення валика тріщини в зоні, де полярна плівка не повністю висохла

Формула: лусковий графіт+SP+CMC/SBR+дистильована вода

Під час нанесення покриття середня зона поляризатора не висихає повністю, а під час прокатки покриття мігрує, утворюючи смугоподібні тріщини.

【12】 Крайові зморшки від пресування полярним валиком

Явище товстих країв, утворених покриттям, пресування валиком та зморщування країв покриття

【13】 Ріжуче покриття негативного електрода, відокремлене від фольги

Формула: природний графіт+ацетиленова сажа+CMC/SBR+дистильована вода, співвідношення діючих речовин 96%

Коли полярний диск розрізається, покриття та фольга від’єднуються.

【14】 Задирки для різання країв

Під час різання диска позитивного електрода нестабільний контроль натягу призводить до утворення задирок фольги під час вторинного різання.

【15】 Ріжуча хвильова кромка полярного зрізу

Під час різання негативного електродного диска через невідповідне перекриття та тиск ріжучих лез утворюються хвилеподібні краї та відшарування покриття розрізу.

【16】 Інші поширені дефекти покриття включають проникнення повітря, бічні хвилі, провисання, струмок, розширення, пошкодження водою тощо

Дефекти можуть виникнути на будь-якій стадії обробки: підготовка покриття, виготовлення підкладки, робота підкладки, зона покриття, зона сушіння, процес різання, різання, прокатки тощо. Який загальний логічний метод вирішення дефектів?

1. Під час процесу від пілотного виробництва до виробництва необхідно оптимізувати формулу продукту, процес покриття та сушіння, а також знайти відносно хороше або широке вікно процесу.

2. Використовуйте деякі методи контролю якості та статистичні засоби (SPC) для контролю якості продукції. За допомогою моніторингу та контролю стабільної товщини покриття в режимі онлайн або за допомогою системи візуального контролю зовнішнього вигляду (Visual System) для перевірки на наявність дефектів на поверхні покриття.

3. При виникненні дефектів продукту своєчасно регулюйте процес, щоб уникнути повторних дефектів.

05

Рівномірність покриття

Так звана рівномірність покриття відноситься до сталості розподілу товщини покриття або кількості адгезиву в межах площі покриття. Чим краща консистенція товщини покриття або кількості адгезиву, тим краща рівномірність покриття, і навпаки. Не існує єдиного індексу вимірювання однорідності покриття, який можна виміряти відхиленням або процентним відхиленням товщини покриття або кількості адгезиву в кожній точці на певній ділянці відносно середньої товщини покриття або кількості адгезиву в цій зоні, або через різниця між максимальною та мінімальною товщиною покриття або кількістю клею на певній ділянці. Товщина покриття зазвичай виражається в мкм.

Рівномірність покриття використовується для оцінки загального стану покриття ділянки. Але при фактичному виробництві ми зазвичай більше дбаємо про однорідність основи як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках. Так звана горизонтальна рівномірність стосується рівномірності напрямку ширини покриття (або горизонтального напрямку машини). Так звана поздовжня однорідність відноситься до однорідності в напрямку довжини покриття (або напрямку руху підкладки).

Існують суттєві відмінності в розмірах, факторах впливу та методах контролю горизонтальних і вертикальних похибок нанесення клею. Загалом, чим більша ширина підкладки (або покриття), тим важче контролювати поперечну рівномірність. Виходячи з багаторічного практичного досвіду нанесення покриття в Інтернеті, коли ширина підкладки менше 800 мм, рівномірність боків зазвичай легко гарантується; Коли ширина основи становить 1300-1800 мм, часто можна добре контролювати бічну однорідність, але є певні труднощі та потрібен значний рівень професіоналізму; Коли ширина підкладки перевищує 2000 мм, контроль поперечної однорідності дуже складний, і лише кілька виробників можуть добре впоратися з цим. Коли виробнича партія (тобто довжина покриття) збільшується, поздовжня однорідність може стати більшою складністю або проблемою, ніж поперечна однорідність.