Kvalitetsstyring af positive elektrodematerialer til lithiumbatterier

Kvalitetsstyring af positive elektrodematerialer til lithiumbatterier

Ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier er tæt forbundet med kvaliteten af ​​positive elektrodematerialer.

Denne artikel introducerer adskillige fejlformer for positive elektrodematerialer, der har en betydelig indvirkning på ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier, såsom blanding med fremmedlegemer af metal, overdreven fugt og dårlig batchkonsistens. Den belyser den alvorlige skade, som disse fejlformer forårsager for batteriets ydeevne, og forklarer, hvordan man undgår disse fejl fra et kvalitetsstyringsperspektiv, hvilket giver stærke garantier for yderligere at forhindre kvalitetsproblemer og forbedre kvaliteten af ​​lithium-ion-batterier.

Som vi alle ved, er katodematerialet et af de vigtigste kernematerialer i lithium-ion-batterier, og dets ydeevne påvirker direkte ydeevneindikatorerne for lithium-ion-batterier. På nuværende tidspunkt omfatter de markedsførte katodematerialer af lithium-ion-batterier lithiumcobalat, lithiummanganat, lithiumjernphosphat, ternære materialer og andre produkter.

Sammenlignet med andre råmaterialer til lithium-ion-batterier er mangfoldigheden af ​​positive elektrodematerialer mere forskelligartet, produktionsprocessen er også mere kompleks, og risikoen for kvalitetssvigt er større, hvilket kræver højere kvalitetsstyringskrav. Denne artikel diskuterer de almindelige fejlformer og tilsvarende forebyggende foranstaltninger for positive elektrodematerialer til lithium-ion-batterier fra materialebrugeres perspektiv.

1. Metalfremmedgenstande blandet i det positive elektrodemateriale

Når der er jern (Fe), kobber (Cu), krom (Cr), nikkel (Ni), zink (Zn), sølv (Ag) og andre metalurenheder i katodematerialet, når spændingen i dannelsesstadiet af katodematerialet batteriet når oxidations- og reduktionspotentialet for disse metalelementer, vil disse metaller blive oxideret først i den positive pol og derefter reduceret til den negative pol. Når metalelementerne ved den negative pol akkumuleres til en vis grad, vil de hårde kanter og hjørner af det aflejrede metal trænge igennem membranen, hvilket forårsager selvafladning af batteriet.

Selvafladning kan have en dødelig indvirkning på lithium-ion-batterier, så det er særligt vigtigt at forhindre indføring af metalfremmede genstande fra kilden.

Der er mange produktionsprocesser for positive elektrodematerialer, og der er risiko for, at metalfremmede genstande indføres i hvert trin af fremstillingsprocessen. Dette stiller højere krav til udstyrsautomatiseringsniveauet og kvalitetsstyringsniveauet på stedet hos materialeleverandører. Imidlertid har materialeleverandører ofte lavere niveauer af udstyrsautomatisering på grund af omkostningsbegrænsninger, hvilket resulterer i flere brudpunkter i produktions- og fremstillingsprocesser og en stigning i ukontrollerbare risici.

Derfor, for at sikre stabil batteriydelse og forhindre selvafladning, skal batteriproducenter fremme materialeleverandører for at forhindre introduktion af metalfremmede genstande fra fem aspekter: menneske, maskine, materiale, metode og miljø.

Med udgangspunkt i personalekontrol bør medarbejdere forbydes at medbringe fremmedlegemer af metal ind i værkstedet, bære smykker og bære arbejdstøj, sko og handsker, når de går ind på værkstedet for at undgå kontakt med fremmedlegemer af metal, før de kommer i kontakt med pulver. At etablere en tilsyns- og inspektionsmekanisme, opdyrke medarbejdernes kvalitetsbevidsthed og få dem til bevidst at overholde og vedligeholde værkstedsmiljøet.

Produktionsudstyr er hovedleddet for indføring af fremmedlegemer, såsom rust og iboende materialeslid på udstyrskomponenter og værktøj, der kommer i kontakt med materialer; Udstyrskomponenter og værktøj, der ikke kommer i direkte kontakt med materialet, og støv klæber og flyder ind i materialet på grund af luftstrømmen i værkstedet. I henhold til graden af ​​påvirkning kan forskellige behandlingsmetoder anvendes, såsom maling, udskiftning med ikke-metalliske materialebelægninger (plast, keramik) og indpakning af nøgne metalkomponenter. Ledere bør også etablere tilsvarende regler og forskrifter for klart at definere, hvordan man håndterer fremmedlegemer af metal, etablere en tjekliste og kræve, at medarbejderne udfører regelmæssige inspektioner for at forhindre potentielle problemer.

Råmaterialer er den direkte kilde til metalfremmede genstande i positive elektrodematerialer. De indkøbte råvarer bør have regler om indhold af metalfremmede genstande. Efter ankomsten til fabrikken skal der udføres streng inspektion for at sikre, at deres indhold er inden for det specificerede område. Hvis indholdet af metalurenheder i råvarerne overstiger standarden, er det svært at fjerne dem i efterfølgende processer.

For at fjerne metalfremmede genstande er elektromagnetisk jernfjernelse blevet en nødvendig proces i produktionen af ​​positive elektrodematerialer. Elektromagnetiske jernfjerningsmaskiner er meget udbredte, men dette udstyr fungerer ikke på ikke-magnetiske metalstoffer som kobber og zink. Derfor bør værkstedet undgå brug af kobber- og zinkkomponenter. Om nødvendigt anbefales det også at undgå direkte kontakt med pulver eller udsættelse for luft. Derudover har installationspositionen, antallet af installationer og parameterindstillingerne for den elektromagnetiske jernfjerner også en vis indflydelse på jernfjernelseseffekten.

For at sikre værkstedsmiljøet og opnå overtryk på værkstedet er det også nødvendigt at etablere dobbeltdøre og luftbrusedøre for at forhindre udvendigt støv i at trænge ind på værkstedet og forurenende materialer. Samtidig skal værkstedsudstyr og stålkonstruktioner undgå rust, ligesom jorden skal males og jævnligt afmagnetiseres.

2. Fugtindholdet i det positive elektrodemateriale overstiger standarden

De positive elektrodematerialer er for det meste mikron- eller nanoskala partikler, som er lette at absorbere fugt fra luften, især ternære materialer med højt Ni-indhold. Ved fremstilling af den positive elektrodepasta, hvis det positive elektrodemateriale har et højt vandindhold, vil opløseligheden af ​​PVDF blive reduceret, efter at NMP absorberer vand under opslæmningsblandingen, hvilket vil få pastagelen til at blive gelé, hvilket påvirker forarbejdningsydelsen. Efter fremstilling af et batteri vil dets kapacitet, indre modstand, cirkulation og forstørrelse blive påvirket, så fugtindholdet i det positive elektrodemateriale, som fremmedlegemer af metal, bør være et centralt kontrolprojekt.

Jo højere automatiseringsniveauet for produktionslinjeudstyret er, jo kortere er eksponeringstiden for pulveret i luften, og jo mindre vand tilføres. Fremme af materialeleverandører for at forbedre udstyrsautomatisering, såsom opnåelse af fuld rørledningstransport, overvågning af rørledningsdugpunkter og installation af robotarme for at opnå automatisk lastning og losning, bidrager i høj grad til at forhindre indtrængen af ​​fugt. Nogle materialeleverandører er dog begrænset af fabriksdesign eller omkostningstryk, og når udstyrsautomatisering ikke er høj, og der er mange brudpunkter i fremstillingsprocessen, er det nødvendigt at kontrollere pulverets eksponeringstid strengt. Det er bedst at bruge nitrogenfyldte tønder til pulveret under overførselsprocessen.
Produktionsværkstedets temperatur og luftfugtighed er også en central kontrolindikator, og teoretisk set, jo lavere dugpunktet er, jo mere gunstigt er det. De fleste materialeleverandører fokuserer på fugtkontrol efter sintringsprocessen. De mener, at en sintringstemperatur på omkring 1000 grader Celsius kan fjerne det meste af fugten i pulveret. Så længe fugttilførslen fra sintringsprocessen til emballeringsstadiet er strengt kontrolleret, kan det som udgangspunkt sikre, at materialets fugtindhold ikke overstiger standarden.

Det betyder naturligvis ikke, at der ikke er behov for at kontrollere fugten før sintringsprocessen, for hvis der indføres for meget fugt i den foregående proces, vil sintringseffektiviteten og materialets mikrostruktur blive påvirket. Derudover er pakkemetoden også meget vigtig. De fleste materialeleverandører bruger aluminiumsplastikposer til vakuumpakning, hvilket i øjeblikket ser ud til at være den mest økonomiske og effektive metode.

Forskellige materialedesigns kan naturligvis også have væsentlige forskelle i vandabsorption, såsom forskelle i belægningsmaterialer og specifikt overfladeareal, hvilket kan påvirke deres vandabsorption. Selvom nogle materialeleverandører forhindrer indslæbning af fugt under fremstillingsprocessen, har materialerne i sig selv den egenskab, at de er lette at absorbere vand, hvilket gør det ekstremt svært at udtørre fugten efter at være blevet lavet til elektrodeplader, hvilket giver problemer for batteriproducenterne. Ved udvikling af nye materialer bør der derfor tages hensyn til spørgsmålet om vandabsorption og udvikling af materialer med højere universalitet, hvilket er meget gavnligt for både udbud og efterspørgsel.

3. Dårlig batchkonsistens af 3 positive elektrodematerialer

For batteriproducenter gælder det, at jo mindre forskellen er og bedre konsistens mellem batches af positive elektrodematerialer, desto mere stabil kan ydeevnen af ​​det færdige batteri være. Som vi alle ved, er en af ​​de største ulemper ved lithiumjernphosphat-katodemateriale den dårlige batchstabilitet. I pulpfremstillingsprocessen er viskositeten og faststofindholdet i hver batch af gylle ustabile på grund af store batchudsving, hvilket giver brugerne problemer og kræver konstant procesjustering for at tilpasse sig.

Forbedring af automatiseringsgraden af ​​produktionsudstyr er det vigtigste middel til at forbedre batchstabiliteten af ​​lithiumjernphosphatmaterialer. Men på nuværende tidspunkt er udstyrsautomatiseringsgraden hos indenlandske leverandører af lithiumjernfosfatmaterialer generelt lav, det tekniske niveau og kvalitetsstyringsevnen er ikke høj, og de leverede materialer har batch-ustabilitetsproblemer af forskellig grad. Fra brugernes perspektiv, hvis batchforskelle ikke kan elimineres, håber vi, at jo større vægt en batch har, jo bedre, forudsat at materialerne i samme batch er ensartede og stabile.

Så for at opfylde dette krav tilføjer leverandører af jernlithiummaterialer ofte en blandingsproces efter fremstillingen af ​​det færdige produkt, som er at blande flere partier af materialer jævnt. Jo større volumen blandekedlen er, jo flere materialer indeholder den, og jo større mængde blandet batch.

Partikelstørrelsen, det specifikke overfladeareal, fugtigheden, pH-værdien og andre indikatorer for jernlithiummaterialer kan påvirke viskositeten af ​​den producerede gylle. Disse indikatorer er dog ofte strengt kontrolleret inden for et vist område, og der kan stadig være betydelige forskelle i viskositet mellem batcher af gylle. For at forhindre uregelmæssigheder under batchbrug er det ofte nødvendigt at simulere produktionsformlen og forberede nogle gylleviskositetstests på forhånd, før de tages i brug, og først efter opfyldelse af kravene kan de tages i brug, men hvis batteriproducenterne udfører test før hver produktion, vil det i høj grad reducere produktionseffektiviteten, så de vil videresende dette arbejde til materialeleverandøren og kræve, at materialeleverandøren gennemfører testen og opfylder kravene inden forsendelse.

Naturligvis bliver spredningen af ​​fysiske egenskaber mindre og mindre med fremskridt inden for teknologi og forbedring af materialeleverandørers proceskapacitet, og trinnet med at teste viskositeten før forsendelse kan udelades. Ud over de foranstaltninger, der er nævnt ovenfor for at forbedre konsistensen, bør vi også bruge kvalitetsværktøjer til at minimere batch-ustabilitet og forhindre kvalitetsproblemer i at opstå. Hovedsageligt med udgangspunkt i følgende aspekter.

(1) Etabler driftsprocedurer.

Den iboende kvalitet af et produkt er både designet og fremstillet. Derfor er det særligt vigtigt, hvordan operatører arbejder for at kontrollere produktkvaliteten, og der bør etableres detaljerede og specifikke driftsstandarder.

(2) Identifikation af CTQ.

Identificer nøgleindikatorer og processer, der påvirker produktkvaliteten, overvåg disse nøglekontrolindikatorer og udvikle tilsvarende nødberedskabsforanstaltninger. Ortophosphorsyrejernbanelinjen er hovedstrømmen i den nuværende fremstilling af lithiumjernfosfat. Dets processer omfatter batching, kugleformaling, sintring, knusning, emballering osv. Kugleformalingsprocessen bør styres som en nøgleproces, for hvis konsistensen af ​​den primære partikelstørrelse efter kugleformaling ikke er godt kontrolleret, vil partiklens konsistens størrelsen af ​​det færdige produkt vil blive påvirket, hvilket vil påvirke batchkonsistensen af ​​materialer.

(3) Brugen af ​​SPC.

Udfør SPC-realtidsovervågning af nøglekarakteristiske parametre for nøgleprocesser, analyser unormale punkter, identificer årsagerne til ustabilitet, tag effektive korrigerende og forebyggende foranstaltninger og undgå, at defekte produkter strømmer til kunden.

4. Andre ugunstige situationer

Ved fremstilling af gylle blandes det positive elektrodemateriale jævnt med opløsningsmidler, klæbemidler og ledende midler i en vis andel i gylletanken og udledes derefter gennem rørledningen. En filterskærm er installeret ved udløbet for at opfange store partikler og fremmedlegemer i det positive elektrodemateriale og sikre kvaliteten af ​​belægningen. Hvis det positive elektrodemateriale indeholder store partikler, vil det forårsage tilstopning af filterskærmen. Hvis sammensætningen af ​​de store partikler stadig er det positive elektrodemateriale i sig selv, vil det kun påvirke produktionseffektiviteten og vil ikke påvirke batteriets ydeevne, og sådanne tab kan reduceres. Men hvis sammensætningen af ​​disse store partikler er usikker, og de er andre metalfremmede genstande, vil den allerede fremstillede gylle blive fuldstændig skrottet, hvilket resulterer i store tab.

Forekomsten af ​​denne unormalitet bør skyldes interne kvalitetsstyringsproblemer hos materialeleverandøren. De fleste positive elektrodematerialer produceres gennem screeningsprocesser, og om skærmen er beskadiget, inspiceret og udskiftet i tide. Hvis skærmen er beskadiget, er der ingen anti-lækageforanstaltninger, og om der opdages store partikler under fabriksinspektionen, skal der stadig forbedres.