Lityum pillerin kaplama işlemi ve kusurları

Lityum pillerin kaplama işlemi ve kusurları

01

Kaplama işleminin lityum pillerin performansına etkisi

Polar kaplama genel olarak karıştırılmış bir bulamacın bir akım toplayıcı üzerine eşit şekilde kaplanması ve bulamaçtaki organik çözücülerin kurutulması işlemini ifade eder. Kaplama etkisinin pil kapasitesi, iç direnç, çevrim ömrü ve güvenlik üzerinde önemli bir etkisi vardır ve elektrotun eşit şekilde kaplanmasını sağlar. Kaplama yöntemlerinin ve kontrol parametrelerinin seçimi, lityum iyon pillerin performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve başlıca şu şekilde ortaya çıkar:

1) Kaplama için kurutma sıcaklığı kontrolü: Kaplama sırasında kurutma sıcaklığı çok düşükse, elektrodun tamamen kurumasını garanti edemez. Sıcaklık çok yüksekse, bunun nedeni elektrot içindeki organik çözücülerin hızla buharlaşması olabilir; bu da elektrotun yüzey kaplamasında çatlama, soyulma ve diğer olaylarla sonuçlanır;

2) Kaplama yüzey yoğunluğu: Kaplama yüzey yoğunluğunun çok küçük olması durumunda akü kapasitesi nominal kapasiteye ulaşamayabilir. Kaplama yüzey yoğunluğunun çok yüksek olması halinde malzeme israfına neden olmak kolaydır. Ciddi durumlarda, aşırı pozitif elektrot kapasitesi varsa, lityum çökelmesi nedeniyle lityum dendritleri oluşacak, pil ayırıcıyı delecek ve kısa devreye neden olarak güvenlik tehlikesi oluşturacaktır;

3) Kaplama boyutu: Kaplama boyutunun çok küçük veya çok büyük olması, pilin içindeki pozitif elektrotun, negatif elektrot tarafından tamamen kaplanmamasına neden olabilir. Şarj işlemi sırasında, lityum iyonları pozitif elektrottan gömülür ve negatif elektrot tarafından tamamen kaplanmayan elektrolite doğru hareket eder. Pozitif elektrotun gerçek kapasitesi verimli bir şekilde kullanılamaz. Ciddi durumlarda, pilin içinde ayırıcıyı kolayca delebilecek ve dahili devre hasarına neden olabilecek lityum dendritler oluşabilir;

4) Kaplama kalınlığı: Kaplama kalınlığının çok ince veya çok kalın olması, sonraki elektrot haddeleme işlemini etkileyecektir ve akü elektrot performansının tutarlılığını garanti edemez.

Ayrıca elektrot kaplaması akülerin güvenliği açısından büyük önem taşıyor. Kaplama işlemi sırasında elektrot içerisine partikül, döküntü, toz vb. karışmamasını sağlamak için kaplama öncesinde 5S çalışması yapılmalıdır. Herhangi bir kalıntının karışması, pilin içinde mikro kısa devreye neden olur ve bu da ciddi durumlarda yangına ve patlamaya neden olabilir.

02

Kaplama ekipmanı seçimi ve kaplama prosesi

Genel kaplama işlemi şunları içerir: açma → birleştirme → çekme → gerilim kontrolü → kaplama → kurutma → düzeltme → gerilim kontrolü → düzeltme → sarma ve diğer işlemler. Kaplama işlemi karmaşıktır ve ayrıca kaplama ekipmanının üretim doğruluğu, ekipmanın çalışmasının düzgünlüğü, kaplama işlemi sırasında dinamik gerilimin kontrolü, kaplama sırasındaki hava akışının boyutu gibi kaplama etkisini etkileyen birçok faktör vardır. kurutma işlemi ve sıcaklık kontrol eğrisi. Bu nedenle uygun bir kaplama işleminin seçilmesi son derece önemlidir.

Kaplama yönteminin genel seçiminde aşağıdaki hususların dikkate alınması gerekir: kaplanacak katman sayısı, ıslak kaplamanın kalınlığı, kaplama sıvısının reolojik özellikleri, gerekli kaplama doğruluğu, kaplama desteği veya alt tabaka ve Kaplama hızı.

Yukarıdaki faktörlere ek olarak elektrot kaplamanın özel durumunu ve özelliklerini de dikkate almak gerekir. Lityum-iyon pil elektrot kaplamasının özellikleri şunlardır: ① çift taraflı, tek katmanlı kaplama; ② Bulamacın ıslak kaplaması nispeten kalındır (100-300 μm) ③ Bulamaç, Newton tipi olmayan yüksek viskoziteli bir sıvıdır; ④ Polar film kaplamanın hassasiyet gereksinimi, film kaplamaya benzer şekilde yüksektir; ⑤ 10-20 μ Alüminyum folyo ve m bakır folyo kalınlığında kaplama destek gövdesi; ⑥ Film kaplama hızıyla karşılaştırıldığında polar film kaplama hızı yüksek değildir. Yukarıdaki faktörler dikkate alındığında, genel laboratuvar ekipmanı sıklıkla kazıyıcı tipini kullanır, tüketici lityum iyon pilleri sıklıkla silindir kaplama transfer tipini kullanır ve güç pilleri sıklıkla dar yuvalı ekstrüzyon yöntemini kullanır.

Kazıyıcı kaplama: Çalışma prensibi Şekil 1'de gösterilmektedir. Folyo alt tabakası kaplama silindirinden geçer ve doğrudan bulamaç tankına temas eder. Folyo substratına fazla bulamaç uygulanır. Alt tabaka, kaplama silindiri ile kazıyıcı arasından geçtiğinde, kazıyıcı ile alt tabaka arasındaki boşluk, kaplama kalınlığını belirler. Aynı zamanda fazla bulamaç kazınır ve geri akıtılarak alt tabakanın yüzeyinde düzgün bir kaplama oluşturulur. Ana kazıyıcı türleri virgül kazıyıcılardır. Virgül kazıyıcı, kaplama başlığındaki önemli bileşenlerden biridir. Genellikle virgül benzeri bir bıçak oluşturmak için dairesel silindirin yüzeyindeki generatrix boyunca işlenir. Bu tür kazıyıcılar yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir, kaplama miktarını ve doğruluğunu kontrol etmek kolaydır ve yüksek katı içerikli ve yüksek viskoziteli çamurlar için uygundur.

Rulo kaplama transfer tipi: Kaplama silindiri, bulamacı tahrik etmek için döner, bulamaç transfer miktarını virgül kazıyıcı arasındaki boşluktan ayarlar ve bulamacı alt tabakaya aktarmak için arka silindirin ve kaplama silindirinin dönüşünü kullanır. İşlem Şekil 2'de gösterilmektedir. Silindir kaplama transfer kaplama iki temel işlemi içerir: (1) Kaplama silindirinin dönüşü, bulamacın ölçüm silindirleri arasındaki boşluktan geçmesini sağlayarak belirli bir kalınlıkta bulamaç tabakası oluşturmasını sağlar; (2) Bir kaplama oluşturmak için kaplama silindiri ve arka silindiri zıt yönlerde döndürerek folyoya belirli bir kalınlıkta bulamaç katmanı aktarılır.

Dar yarık ekstrüzyon kaplama: Hassas bir ıslak kaplama teknolojisi olarak Şekil 3'te gösterildiği gibi çalışma prensibi, kaplama sıvısının belirli bir basınç ve akış hızı altında kaplama kalıbının boşlukları boyunca ekstrüde edilerek püskürtülmesi ve alt tabakaya aktarılmasıdır. . Diğer kaplama yöntemleriyle karşılaştırıldığında hızlı kaplama hızı, yüksek doğruluk ve eşit ıslak kalınlık gibi birçok avantajı vardır; Kaplama sistemi, kaplama işlemi sırasında kirleticilerin girmesini engelleyebilecek şekilde kapalıdır. Bulamaç kullanım oranı yüksektir ve bulamaç özellikleri stabildir. Aynı anda birden fazla katman halinde kaplanabilir. Ayrıca farklı bulamaç viskozitesi ve katı içeriği aralıklarına uyum sağlayabilir ve transfer kaplama teknolojisine kıyasla daha güçlü uyarlanabilirliğe sahiptir.

03

Kaplama kusurları ve etkileyen faktörler

Kaplama kusurlarının azaltılması, kaplama kalitesinin ve veriminin arttırılması ve kaplama işlemi sırasında maliyetlerin düşürülmesi, kaplama işleminde üzerinde çalışılması gereken önemli hususlardır. Kaplama işleminde ortaya çıkan genel problemler kalın kafa ve ince kuyruk, her iki tarafta kalın kenarlar, koyu lekeler, pürüzlü yüzey, açıkta kalan folyo ve diğer kusurlardır. Başlık ve kuyruk kalınlığı, kaplama valfinin veya aralıklı valfin açılma ve kapanma süresine göre ayarlanabilir. Kalın kenar sorunu, çamurun özellikleri, kaplama boşluğu, çamur akış hızı vb. ayarlanarak iyileştirilebilir. Yüzey pürüzlülüğü, düzgünsüzlük ve şeritler, folyoyu stabilize ederek, hızı azaltarak, hava açısını ayarlayarak iyileştirilebilir. bıçak vb.

Substrat - Bulamaç

Bulamacın temel fiziksel özellikleri ile kaplama arasındaki ilişki: Gerçek süreçte, bulamacın viskozitesinin kaplama etkisi üzerinde belirli bir etkisi vardır. Hazırlanan bulamacın viskozitesi elektrot ham maddesine, çamur oranına ve seçilen bağlayıcı tipine bağlı olarak değişmektedir. Bulamacın viskozitesi çok yüksek olduğunda kaplama çoğu zaman sürekli ve istikrarlı bir şekilde gerçekleştirilemez ve kaplama etkisi de etkilenir.

Kaplama çözeltisinin tekdüzeliği, stabilitesi, kenar ve yüzey etkileri, kaplama kalitesini doğrudan belirleyen kaplama çözeltisinin reolojik özelliklerinden etkilenir. Kararlı kaplama ve düzgün kaplama elde etmek için proses operasyon aralığı olan kaplama penceresini incelemek için teorik analiz, kaplama deneysel teknikleri, akışkanlar dinamiği sonlu eleman teknikleri ve diğer araştırma yöntemleri kullanılabilir.

Substrat - Bakır folyo ve alüminyum folyo

Yüzey gerilimi: Bakır alüminyum folyonun yüzey gerilimi, kaplanmış çözeltinin yüzey geriliminden daha yüksek olmalıdır, aksi takdirde çözeltinin alt tabaka üzerinde düz bir şekilde yayılması zorlaşacak ve bu da kaplama kalitesinin düşmesine neden olacaktır. İzlenecek prensiplerden biri, kaplanacak çözeltinin yüzey geriliminin alt tabakanınkinden 5 din/cm daha düşük olması gerektiğidir; ancak bu sadece kaba bir tahmindir. Solüsyonun ve substratın yüzey gerilimi, substratın formülü veya yüzey işlemi ayarlanarak ayarlanabilir. İkisi arasındaki yüzey geriliminin ölçümü de bir kalite kontrol test öğesi olarak değerlendirilmelidir.

Düzgün kalınlık: Kazıyıcı kaplamaya benzer bir işlemde, alt tabakanın enine yüzeyinin eşit olmayan kalınlığı, eşit olmayan kaplama kalınlığına yol açabilir. Çünkü kaplama işleminde kaplama kalınlığı, kazıyıcı ile alt tabaka arasındaki boşluk tarafından kontrol edilir. Yatay olarak alt tabakanın kalınlığı daha düşükse, o alandan daha fazla çözelti geçecek ve kaplama kalınlığı da daha kalın olacaktır ve bunun tersi de geçerlidir. Alt tabakanın kalınlık dalgalanması kalınlık ölçerden görülebiliyorsa, son film kalınlığı dalgalanması da aynı sapmayı gösterecektir. Ayrıca yanal kalınlık sapması da sarımda kusurlara neden olabilir. Bu tür kusurları önlemek için hammaddelerin kalınlığının kontrol edilmesi önemlidir.

Statik elektrik: Kaplama hattında, açma ve silindirlerden geçirme yoluyla uygulandığında alt tabakanın yüzeyinde çok fazla statik elektrik üretilir. Üretilen statik elektrik, silindir üzerindeki havayı ve kül tabakasını kolaylıkla emebilir ve kaplama kusurlarına neden olabilir. Boşaltma işlemi sırasında statik elektrik, kaplama yüzeyinde elektrostatik görünüm bozukluklarına da neden olabilir ve daha ciddisi yangınlara bile neden olabilir. Kışın nem oranının düşük olması durumunda kaplama hattındaki statik elektrik sorunu daha belirgin olacaktır. Bu tür kusurları azaltmanın en etkili yolu ortam nemini mümkün olduğu kadar yüksek tutmak, kaplama telini topraklamak ve bazı antistatik cihazlar takmaktır.

Temizlik: Substrat yüzeyindeki yabancı maddeler çıkıntılar, kir vb. gibi bazı fiziksel kusurlara neden olabilir. Bu nedenle substratların üretim sürecinde hammaddelerin temizliğinin iyi kontrol edilmesi gerekir. Çevrimiçi membran temizleme silindirleri, alt tabaka kirlerini gidermek için nispeten etkili bir yöntemdir. Membran üzerindeki tüm yabancı maddeler giderilemese de, ham maddelerin kalitesini etkili bir şekilde artırabilir ve kayıpları azaltabilir.

04

Lityum Pil Kutuplarının Kusur Haritası

[1] Lityum iyon pillerin negatif elektrot kaplamasında kabarcık kusurları

Soldaki görüntüde kabarcıkların bulunduğu negatif elektrot plakası ve sağdaki görüntüde taramalı elektron mikroskobunun 200x büyütülmüş hali. Karıştırma, taşıma ve kaplama işlemleri sırasında toz veya uzun topaklanmalar ve diğer yabancı maddeler kaplama çözeltisine karışır veya ıslak kaplamanın yüzeyine düşer. Bu noktada kaplamanın yüzey gerilimi dış kuvvetlerden etkilenerek moleküller arası kuvvetlerde değişikliklere neden olur ve bu da çamurun yumuşak bir şekilde aktarılmasına neden olur. Kuruduktan sonra ince merkezli dairesel izler oluşur.

[2] İğne deliği

Bunlardan biri kabarcıkların oluşmasıdır (karıştırma işlemi, taşıma işlemi, kaplama işlemi); Kabarcıkların neden olduğu iğne deliği kusurunun anlaşılması nispeten kolaydır. Islak filmdeki kabarcıklar iç katmandan filmin yüzeyine doğru hareket eder ve yüzeyde kırılarak bir iğne deliği kusuru oluşturur. Kabarcıklar esas olarak zayıf akışkanlık, zayıf seviyeleme ve karıştırma, sıvı taşıma ve kaplama işlemleri sırasında kabarcıkların zayıf salınımından kaynaklanır.

[3] Çizikler

Olası nedenler: Dar aralığa veya kaplama aralığına yabancı cisimlerin veya büyük parçacıkların sıkışması, alt tabaka kalitesinin düşük olması, yabancı cisimlerin kaplama silindiri ile arka silindir arasındaki kaplama boşluğunu tıkamasına neden olması ve kalıp dudağının hasar görmesi.

[4] Kalın kenar

Kalın kenarların oluşmasının nedeni, bulamacın elektrotun kaplanmamış kenarına doğru hareket etmesine ve kuruduktan sonra kalın kenarlar oluşturmasına neden olan bulamacın yüzey gerilimidir.

[5] Negatif elektrot yüzeyinde toplanmış parçacıklar

Formül: Küresel grafit+SÜPER C65+CMC+damıtılmış su

İki farklı karıştırma işlemine sahip polarizörlerin makro morfolojisi: pürüzsüz yüzey (solda) ve yüzeyde çok sayıda küçük partikülün varlığı (sağda)

Formül: Küresel grafit+SÜPER C65+CMC/SBR+Damıtılmış su

Elektrotun yüzeyindeki küçük parçacıkların genişlemiş morfolojisi (a ve b): İletken madde agregatları, tamamen dağılmamış.

Pürüzsüz yüzey polarizörlerinin genişletilmiş morfolojisi: İletken madde tamamen dağılmıştır ve eşit şekilde dağılmıştır.

【6】 Pozitif elektrot yüzeyinde toplanmış parçacıklar

Formül: NCA+asetilen siyahı+PVDF+NMP

Karıştırma işlemi sırasında, ortam nemi çok yüksektir, bu da bulamacın jöle benzeri bir hal almasına, iletken maddenin tamamen dağılmamasına ve yuvarlandıktan sonra polarizörün yüzeyinde çok sayıda parçacık bulunmasına neden olur.

[7] Su sistemi kutup plakalarındaki çatlaklar

Formül: NMC532/karbon siyahı/bağlayıcı=ağırlıkça %90/5/5, su/izopropanol (IPA) solvent

Kaplama yoğunlukları sırasıyla (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 ve (d) 25 mg/cm2 olan polarizörlerdeki yüzey çatlaklarının optik fotoğrafları. Kalın polarizörler çatlamaya daha yatkındır.

[8] Polarizatörün yüzeyinde büzülme

Formül: pul grafit+SP+CMC/SBR+damıtılmış su

Folyo yüzeyinde kirletici parçacıkların varlığı, parçacıkların yüzeyinde ıslak filmin yüzey gerilim alanının düşük olmasına neden olur. Sıvı film parçacıkların çevresine doğru yayılır ve hareket ederek büzülme noktası kusurları oluşturur.

[9] Elektrotun yüzeyinde çizikler

Formül: NMC532+SP+PVdF+NMP

Kesme kenarındaki büyük parçacıkların elektrot yüzeyinde folyo sızıntısına ve çiziklere neden olduğu dar dikişli ekstrüzyon kaplama.

[10] Dikey şeritlerin kaplanması

Formül: NCA+SP+PVdF+NMP

Transfer kaplamanın daha sonraki aşamasında, bulamacın su emme viskozitesi artar, kaplama sırasında kaplama penceresinin üst sınırına yaklaşılır, bu da bulamacın zayıf seviyelenmesine ve dikey şeritlerin oluşmasına neden olur.

[11] Polar filmin tam olarak kurumadığı alanda rulo presleme çatlakları

Formül: pul grafit+SP+CMC/SBR+damıtılmış su

Kaplama sırasında polarizörün orta alanı tamamen kuru değildir ve yuvarlanma sırasında kaplama yer değiştirerek şerit şeklinde çatlaklar oluşturur.

[12] Polar merdaneyle preslemede kenar kırışıklıkları

Kaplama, merdaneyle presleme ve kaplama kenarlarının kırışması sonucu oluşan kalın kenar olgusu

[13] Negatif elektrot kesme kaplaması folyodan ayrılmış

Formül: doğal grafit+asetilen siyahı+CMC/SBR+distile su, aktif madde oranı %96

Polar disk kesildiğinde kaplama ve folyo ayrılır.

[14] Kenar kesme çapakları

Pozitif elektrot diskinin kesilmesi sırasında dengesiz gerilim kontrolü, ikincil kesme sırasında folyo çapaklarının oluşmasına yol açar.

[15] Kutupsal dilim kesme dalgası kenarı

Negatif elektrot diskinin kesilmesi sırasında kesici bıçakların uygunsuz üst üste binmesi ve basıncı nedeniyle kesiğin dalgalı kenarları ve kaplamasının ayrılması oluşur.

[16] Diğer yaygın kaplama kusurları arasında hava sızması, yanal dalgalar, sarkma, dere, genleşme, su hasarı vb. yer alır.

Kusurlar herhangi bir işlem aşamasında ortaya çıkabilir: kaplama hazırlığı, alt tabaka üretimi, alt tabaka işlemi, kaplama alanı, kurutma alanı, kesme, dilme, haddeleme işlemi vb. Kusurları çözmek için genel mantıksal yöntem nedir?

1. Pilot üretimden üretime kadar olan süreçte ürün formülünü, kaplama ve kurutma sürecini optimize etmek ve nispeten iyi veya geniş bir süreç penceresi bulmak gerekir.

2. Ürünlerin kalitesini kontrol etmek için bazı kalite kontrol yöntemlerini ve istatistiksel araçları (SPC) kullanın. Sabit kaplama kalınlığını çevrimiçi olarak izleyerek ve kontrol ederek veya kaplama yüzeyindeki kusurları kontrol etmek için görsel görünüm kontrol sistemi (Görsel Sistem) kullanarak.

3. Üründe kusurlar meydana geldiğinde, kusurların tekrarlanmasını önlemek için süreci zamanında ayarlayın.

05

Kaplamanın düzgünlüğü

Kaplamanın tek biçimliliği olarak adlandırılan şey, kaplama alanı içindeki kaplama kalınlığının veya yapışkan miktarının dağılımının tutarlılığını ifade eder. Kaplama kalınlığının veya yapıştırıcı miktarının tutarlılığı ne kadar iyi olursa, kaplamanın tekdüzeliği de o kadar iyi olur ve bunun tersi de geçerlidir. Kaplama tekdüzeliği için, belirli bir alandaki her noktadaki kaplama kalınlığının veya yapıştırıcı miktarının, o alandaki ortalama kaplama kalınlığına veya yapıştırıcı miktarına göre sapması veya yüzde sapması ile ölçülebilen birleşik bir ölçüm indeksi yoktur. Belirli bir alandaki maksimum ve minimum kaplama kalınlığı veya yapıştırıcı miktarı arasındaki fark. Kaplama kalınlığı genellikle µm cinsinden ifade edilir.

Kaplamanın tekdüzeliği, bir alanın genel kaplama durumunu değerlendirmek için kullanılır. Ancak gerçek üretimde genellikle alt tabakanın hem yatay hem de dikey yönlerindeki tekdüzeliğe daha fazla önem veririz. Yatay tekdüzelik olarak adlandırılan şey, kaplama genişliği yönünün (veya makinenin yatay yönünün) tekdüzeliğini ifade eder. Uzunlamasına tekdüzelik olarak adlandırılan şey, kaplama uzunluğu (veya alt tabaka ilerleme yönü) yönündeki tekdüzeliği ifade eder.

Yatay ve dikey tutkal uygulama hatalarının boyutunda, etkileyen faktörlerde ve kontrol yöntemlerinde önemli farklılıklar vardır. Genel olarak alt tabakanın (veya kaplamanın) genişliği ne kadar büyük olursa, yanal düzgünlüğü kontrol etmek o kadar zor olur. Çevrimiçi kaplama konusunda uzun yıllara dayanan pratik deneyime dayanarak, alt tabaka genişliği 800 mm'nin altında olduğunda, yanal tekdüzelik genellikle kolayca garanti edilir; Alt tabakanın genişliği 1300-1800 mm arasında olduğunda, yanal tekdüzelik genellikle iyi bir şekilde kontrol edilebilir, ancak belirli bir zorluk vardır ve önemli düzeyde profesyonellik gerekir; Alt tabaka genişliği 2000 mm'nin üzerinde olduğunda, yanal düzgünlüğü kontrol etmek çok zordur ve yalnızca birkaç üretici bunu iyi bir şekilde halledebilir. Üretim partisi (yani kaplama uzunluğu) arttığında, uzunlamasına tekdüzelik, enine tekdüzelikten daha büyük bir zorluk veya zorluk haline gelebilir.