Belægningsproces og defekter af lithiumbatterier

Belægningsproces og defekter af lithium-batterier

01

Belægningsprocessens indflydelse på ydeevnen af ​​lithiumbatterier

Polær belægning refererer generelt til en proces med jævn belægning af en omrørt opslæmning på en strømopsamler og tørring af de organiske opløsningsmidler i gyllen. Belægningseffekten har en betydelig indvirkning på batterikapacitet, intern modstand, cykluslevetid og sikkerhed, hvilket sikrer en jævn belægning af elektroden. Valget af belægningsmetoder og kontrolparametre har en betydelig indvirkning på ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier, hovedsageligt manifesteret i:

1) Tørretemperaturkontrol for belægning: Hvis tørretemperaturen er for lav under belægning, kan det ikke garantere fuldstændig tørring af elektroden. Hvis temperaturen er for høj, kan det skyldes den hurtige fordampning af organiske opløsningsmidler inde i elektroden, hvilket resulterer i revner, afskalning og andre fænomener på elektrodens overfladebelægning;

2) Belægningsoverfladedensitet: Hvis belægningsoverfladedensiteten er for lille, når batterikapaciteten muligvis ikke den nominelle kapacitet. Hvis belægningens overfladetæthed er for høj, er det let at forårsage spild af ingredienser. I alvorlige tilfælde, hvis der er for stor positiv elektrodekapacitet, vil lithiumdendritter dannes på grund af lithiumudfældning, der gennemborer batteriseparatoren og forårsager en kortslutning, hvilket udgør en sikkerhedsrisiko;

3) Belægningsstørrelse: Hvis belægningsstørrelsen er for lille eller for stor, kan det medføre, at den positive elektrode inde i batteriet ikke er helt dækket af den negative elektrode. Under opladningsprocessen indlejres lithiumioner fra den positive elektrode og bevæger sig ind i elektrolytten, der ikke er fuldstændig dækket af den negative elektrode. Den positive elektrodes faktiske kapacitet kan ikke udnyttes effektivt. I alvorlige tilfælde kan der dannes lithiumdendritter inde i batteriet, som let kan punktere separatoren og forårsage skade på det indre kredsløb;

4) Belægningstykkelse: Hvis belægningstykkelsen er for tynd eller for tyk, vil det påvirke den efterfølgende elektrodevalseproces og kan ikke garantere konsistensen af ​​batterielektrodeydelsen.

Derudover har elektrodebelægning stor betydning for batteriernes sikkerhed. Inden coating skal der udføres 5S arbejde for at sikre, at der ikke blandes partikler, snavs, støv osv. ind i elektroden under coatingprocessen. Hvis noget affald blandes, vil det forårsage en mikrokortslutning inde i batteriet, hvilket kan føre til brand og eksplosion i alvorlige tilfælde.

02

Valg af belægningsudstyr og belægningsproces

Den generelle belægningsproces omfatter: afvikling → splejsning → træk → spændingskontrol → belægning → tørring → korrektion → spændingskontrol → korrektion → vikling og andre processer. Belægningsprocessen er kompleks, og der er også mange faktorer, der påvirker belægningseffekten, såsom belægningsudstyrets fremstillingsnøjagtighed, glatheden af ​​udstyrets drift, styringen af ​​dynamisk spænding under belægningsprocessen, størrelsen af ​​luftstrømmen under tørreprocessen og temperaturreguleringskurven. Derfor er det ekstremt vigtigt at vælge en passende belægningsproces.

Det generelle valg af belægningsmetode skal tage hensyn til følgende aspekter, herunder: antallet af lag, der skal belægges, tykkelsen af ​​den våde belægning, belægningsvæskens rheologiske egenskaber, den nødvendige belægningsnøjagtighed, belægningsunderstøtningen eller substratet, og belægningshastigheden.

Ud over de ovennævnte faktorer er det også nødvendigt at overveje den specifikke situation og karakteristika for elektrodebelægningen. Karakteristikaene ved lithium-ion-batterielektrodebelægning er: ① dobbeltsidet enkeltlagsbelægning; ② Den våde belægning af gyllen er relativt tyk (100-300 μm) ③ Slammet er en ikke-newtonsk væske med høj viskositet; ④ Kravet til præcision for polær filmcoating er højt, svarende til det for filmcoating; ⑤ Belægningsstøttelegeme med en tykkelse på 10-20 μ Aluminiumsfolie og kobberfolie på m; ⑥ Sammenlignet med filmcoatinghastigheden er den polære filmcoatinghastighed ikke høj. Under hensyntagen til ovenstående faktorer bruger generelt laboratorieudstyr ofte skrabertypen, forbrugerlithium-ion-batterier bruger ofte rullebelægningsoverførselstypen, og strømbatterier bruger ofte en smal spalteekstruderingsmetode.

Skrabebelægning: Arbejdsprincippet er vist i figur 1. Foliesubstratet passerer gennem belægningsvalsen og kommer i direkte kontakt med gyllebeholderen. Overskydende gylle påføres folieunderlaget. Når substratet passerer mellem belægningsvalsen og skraberen, bestemmer mellemrummet mellem skraberen og substratet belægningstykkelsen. Samtidig skrabes den overskydende gylle af og tilbagesvales, hvilket danner en ensartet belægning på overfladen af ​​substratet. Hovedtyperne af skrabere er kommaskrabere. Kommaskraberen er en af ​​nøglekomponenterne i belægningshovedet. Det er generelt bearbejdet langs generatricen på overfladen af ​​den cirkulære rulle for at danne et kommalignende blad. Denne type skraber har høj styrke og hårdhed, er nem at kontrollere belægningsmængden og nøjagtigheden og er velegnet til højt faststofindhold og højviskositetsslam.

Rullebelægningsoverførselstype: Belægningsvalsen roterer for at drive gyllen, justere gylleoverførselsmængden gennem mellemrummet mellem kommaskraberen og brug rotationen af ​​bagrullen og belægningsvalsen til at overføre gyllen til substratet. Processen er vist i figur 2. Overføringsbelægning med rullebelægning involverer to grundlæggende processer: (1) Belægningsrullens rotation driver gyllen til at passere gennem mellemrummet mellem målevalserne og danner en vis tykkelse af gyllelaget; (2) En vis tykkelse af gyllelaget overføres til folien ved at rotere belægningsrullen og bagrullen i modsatte retninger for at danne en belægning.

Smal spalteekstruderingsbelægning: Som en præcisions vådbelægningsteknologi, som vist i figur 3, er arbejdsprincippet, at belægningsvæsken ekstruderes og sprøjtes langs hullerne i belægningsformen under et bestemt tryk og flowhastighed og overføres til underlaget . Sammenlignet med andre belægningsmetoder har det mange fordele, såsom hurtig belægningshastighed, høj nøjagtighed og ensartet vådtykkelse; Belægningssystemet er lukket, hvilket kan forhindre forurening i at trænge ind under belægningsprocessen. Gylleudnyttelsesgraden er høj, og gylleegenskaberne er stabile. Det kan belægges i flere lag samtidigt. Og den kan tilpasse sig forskellige intervaller af gylleviskositet og faststofindhold og har stærkere tilpasningsevne sammenlignet med overførselsbelægningsteknologi.

03

Belægningsfejl og påvirkningsfaktorer

Reduktion af belægningsfejl, forbedring af belægningskvalitet og -udbytte og reduktion af omkostninger under belægningsprocessen er vigtige aspekter, som skal undersøges i belægningsprocessen. De almindelige problemer, der opstår i belægningsprocessen, er tykt hoved og tynd hale, tykke kanter på begge sider, mørke pletter, ru overflade, blotlagt folie og andre defekter. Tykkelsen af ​​hovedet og halen kan justeres af åbnings- og lukketiden for belægningsventilen eller intermitterende ventil. Problemet med tykke kanter kan forbedres ved at justere gyllens egenskaber, belægningsgab, gyllestrømningshastighed osv. Overfladeruheden, ujævnhederne og striberne kan forbedres ved at stabilisere folien, reducere hastigheden, justere luftvinklen kniv osv.

Underlag - gylle

Forholdet mellem gyllens og belægningens grundlæggende fysiske egenskaber: I selve processen har gyllens viskositet en vis indflydelse på belægningseffekten. Viskositeten af ​​den fremstillede opslæmning varierer afhængigt af elektroderåmaterialerne, opslæmningsforholdet og den valgte bindemiddeltype. Når gyllens viskositet er for høj, kan belægningen ofte ikke udføres kontinuerligt og stabilt, ligesom belægningseffekten påvirkes.

Belægningsopløsningens ensartethed, stabilitet, kant- og overfladevirkninger påvirkes af belægningsopløsningens rheologiske egenskaber, som direkte bestemmer belægningens kvalitet. Teoretisk analyse, belægningseksperimentelle teknikker, fluiddynamik med finite element-teknikker og andre forskningsmetoder kan bruges til at studere belægningsvinduet, som er procesdriftsområdet for stabil belægning og opnåelse af ensartet belægning.

Underlag - Kobberfolie og aluminiumsfolie

Overfladespænding: Overfladespændingen af ​​kobberaluminiumsfolie skal være højere end overfladespændingen af ​​den coatede opløsning, ellers vil opløsningen være svær at sprede fladt på underlaget, hvilket resulterer i dårlig belægningskvalitet. Et princip, der skal følges, er, at overfladespændingen af ​​den opløsning, der skal coates, skal være 5 dyn/cm lavere end for substratet, selvom dette kun er et groft skøn. Overfladespændingen af ​​opløsningen og substratet kan justeres ved at justere formlen eller overfladebehandlingen af ​​substratet. Målingen af ​​overfladespændingen mellem de to bør også betragtes som en kvalitetskontrolprøve.

Ensartet tykkelse: I en proces, der ligner skraberbelægning, kan ujævn tykkelse af underlagets tværgående overflade føre til ujævn belægningstykkelse. For i belægningsprocessen styres belægningstykkelsen af ​​mellemrummet mellem skraberen og underlaget. Hvis der er en lavere tykkelse af underlaget vandret, vil der være mere opløsning, der passerer gennem det område, og belægningstykkelsen vil også være tykkere, og omvendt. Hvis underlagets tykkelsesudsving kan ses fra tykkelsesmåleren, vil den endelige filmtykkelsesudsving også vise samme afvigelse. Derudover kan sidetykkelsesafvigelse også føre til defekter i viklingen. Så for at undgå sådanne fejl er det vigtigt at kontrollere tykkelsen af ​​råvarerne

Statisk elektricitet: På belægningslinjen genereres meget statisk elektricitet på overfladen af ​​underlaget, når det påføres ved afrulning og passering gennem ruller. Den genererede statiske elektricitet kan nemt adsorbere luft og askelaget på rullen, hvilket resulterer i belægningsfejl. Under afladningsprocessen kan statisk elektricitet også forårsage elektrostatiske udseendedefekter på belægningens overflade, og mere alvorligt, det kan endda forårsage brand. Hvis luftfugtigheden er lav om vinteren, vil problemet med statisk elektricitet på belægningslinjen være mere fremtrædende. Den mest effektive måde at reducere sådanne defekter på er at holde den miljømæssige luftfugtighed så høj som muligt, jorde belægningstråden og installere nogle antistatiske enheder.

Renlighed: Urenheder på overfladen af ​​substratet kan forårsage nogle fysiske defekter, såsom fremspring, snavs osv. Så i produktionsprocessen af ​​substrater er det nødvendigt at kontrollere renheden af ​​råvarer godt. Online membranrengøringsruller er en relativt effektiv metode til at fjerne substraturenheder. Selvom ikke alle urenheder på membranen kan fjernes, kan det effektivt forbedre kvaliteten af ​​råmaterialer og reducere tab.

04

Defekt kort over lithium batteri poler

【1】 Bobledefekter i den negative elektrodebelægning på lithium-ion-batterier

Den negative elektrodeplade med bobler i det venstre billede og 200x forstørrelsen af ​​scanningselektronmikroskopet i det højre billede. Under processen med blanding, transport og belægning blandes støv eller lange flokke og andre fremmedlegemer ind i belægningsopløsningen eller falder ned på overfladen af ​​den våde belægning. Overfladespændingen af ​​belægningen på dette tidspunkt påvirkes af eksterne kræfter, hvilket forårsager ændringer i intermolekylære kræfter, hvilket resulterer i mild overførsel af gyllen. Efter tørring dannes cirkulære mærker med et tyndt center.

【2】 Pinhole

Den ene er dannelsen af ​​bobler (omrøringsproces, transportproces, belægningsproces); Pinhole-defekten forårsaget af bobler er relativt let at forstå. Bobler i den våde film migrerer fra det indre lag til overfladen af ​​filmen og brister på overfladen for at danne en pinhole-defekt. Bobler kommer hovedsageligt fra dårlig fluiditet, dårlig nivellering og dårlig frigivelse af bobler under blanding, væsketransport og belægningsprocesser.

【3】 Ridser

Mulige årsager: Fremmede genstande eller store partikler sætter sig fast i det smalle mellemrum eller belægningsspalten, dårlig substratkvalitet, hvilket forårsager, at fremmedlegemer blokerer belægningsspalten mellem belægningsvalsen og bagrullen, og beskadigelse af formlæben.

【4】 Tyk kant

Årsagen til dannelsen af ​​tykke kanter er drevet af gyllens overfladespænding, som får gyllen til at migrere mod den ubelagte kant af elektroden og danner tykke kanter efter tørring.

【5】 Aggregerede partikler på den negative elektrodeoverflade

Formel: Sfærisk grafit+SUPER C65+CMC+destilleret vand

Makromorfologi af polarisatorer med to forskellige omrøringsprocesser: glat overflade (venstre) og tilstedeværelse af et stort antal små partikler på overfladen (højre)

Formel: Sfærisk grafit+SUPER C65+CMC/SBR+Destilleret vand

Forstørret morfologi af små partikler på overfladen af ​​elektroden (a og b): Aggregater af ledende midler, ikke fuldstændigt spredt.

Forstørret morfologi af glatte overfladepolarisatorer: Det ledende middel er fuldstændigt spredt og jævnt fordelt.

【6】 Agglomererede partikler på den positive elektrodeoverflade

Formel: NCA+acetylensort+PVDF+NMP

Under blandingsprocessen er den miljømæssige luftfugtighed for høj, hvilket får gyllen til at blive geléagtig, det ledende middel er ikke fuldstændigt spredt, og der er et stort antal partikler på overfladen af ​​polarisatoren efter valsning.

【7】 Revner i vandsystemets polære plader

Formel: NMC532/carbon black/bindemiddel=90/5/5 vægt%, vand/isopropanol (IPA) opløsningsmiddel

Optiske fotos af overfladerevner på polarisatorer med belægningstætheder på henholdsvis (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 og (d) 25 mg/cm2. Tykke polarisatorer er mere tilbøjelige til revner.

【8】 Krympning på overfladen af ​​polarisatoren

Formel: flagegrafit+SP+CMC/SBR+destilleret vand

Tilstedeværelsen af ​​forurenende partikler på overfladen af ​​folien resulterer i et lavt overfladespændingsområde af den våde film på overfladen af ​​partiklerne. Væskefilmen udsender og migrerer mod periferien af ​​partiklerne og danner krympningspunktsdefekter.

【9】 Ridser på overfladen af ​​elektroden

Formel: NMC532+SP+PVdF+NMP

Smal sømekstruderingsbelægning med store partikler på skærkanten, der forårsager folielækage og ridser på elektrodens overflade.

【10】 Belægning af lodrette striber

Formel: NCA+SP+PVdF+NMP

I det senere trin af overførselsbelægningen stiger gyllens vandabsorptionsviskositet og nærmer sig den øvre grænse af belægningsvinduet under belægningen, hvilket resulterer i dårlig udjævning af gyllen og dannelse af lodrette striber.

【11】 Rullepressende revner i det område, hvor polarfilmen ikke er helt tørret

Formel: flagegrafit+SP+CMC/SBR+destilleret vand

Under belægningen er det midterste område af polarisatoren ikke helt tørt, og under valsningen migrerer belægningen og danner strimmelformede revner.

【12】 Kantrynker ved polar rullepresning

Fænomenet med tykke kanter dannet af belægning, rullepresning og rynkning af belægningskanterne

【13】 Negativ elektrodeskærebelægning løsnet fra folien

Formel: naturlig grafit+acetylensort+CMC/SBR+destilleret vand, aktivstofforhold 96%

Når polarskiven skæres, løsnes belægningen og folien.

【14】 Kantskærende grater

Under skæringen af ​​den positive elektrodeskive fører ustabil spændingskontrol til dannelse af foliegrater under sekundær skæring.

【15】 Polar skive skærende bølgekant

Under skæringen af ​​den negative elektrodeskive, på grund af uhensigtsmæssig overlapning og tryk af skærebladene, dannes bølgekanter og belægningsløsning af snittet.

【16】 Andre almindelige belægningsdefekter omfatter luftinfiltration, laterale bølger, nedhængning, rivulet, ekspansion, vandskader osv.

Defekter kan forekomme i ethvert forarbejdningstrin: belægningsforberedelse, substratproduktion, substratdrift, belægningsområde, tørreområde, skæring, opskæring, valseproces osv. Hvad er den generelle logiske metode til at løse defekter?

1. Under processen fra pilotproduktion til produktion er det nødvendigt at optimere produktformlen, belægnings- og tørreprocessen og finde et relativt godt eller bredt procesvindue.

2. Brug nogle kvalitetskontrolmetoder og statistiske værktøjer (SPC) til at kontrollere produkternes kvalitet. Ved at overvåge og kontrollere den stabile belægningstykkelse online, eller ved at bruge et visuelt inspektionssystem (Visual System) for at kontrollere for defekter på belægningsoverfladen.

3. Når der opstår produktfejl, skal processen justeres rettidigt for at undgå gentagne fejl.

05

Ensartethed af belægning

Den såkaldte ensartethed af belægningen refererer til konsistensen af ​​fordelingen af ​​belægningstykkelse eller klæbemiddelmængde inden for belægningsområdet. Jo bedre konsistensen af ​​belægningstykkelsen eller klæbemiddelmængden er, jo bedre er belægningens ensartethed og omvendt. Der er ikke noget ensartet måleindeks for belægningens ensartethed, som kan måles ved afvigelsen eller den procentvise afvigelse af belægningstykkelsen eller klæbemiddelmængden på hvert punkt i et bestemt område i forhold til den gennemsnitlige belægningstykkelse eller klæbemiddelmængde i det pågældende område, eller ved forskel mellem den maksimale og minimale belægningstykkelse eller klæbemiddelmængde i et bestemt område. Belægningstykkelsen udtrykkes normalt i µm.

Belægningens ensartethed bruges til at evaluere den overordnede belægningstilstand for et område. Men i den faktiske produktion går vi som regel mere op i ensartetheden i både vandret og lodret retning af underlaget. Den såkaldte horisontale ensartethed refererer til ensartetheden af ​​belægningens bredderetning (eller maskinens vandrette retning). Den såkaldte langsgående ensartethed henviser til ensartetheden i retningen af ​​belægningslængden (eller substratets bevægelsesretning).

Der er betydelige forskelle i størrelsen, påvirkningsfaktorerne og kontrolmetoderne for vandrette og lodrette limpåføringsfejl. Generelt gælder det, at jo større bredden af ​​substratet (eller belægningen er), jo sværere er det at kontrollere den laterale ensartethed. Baseret på mange års praktisk erfaring med belægning online, når underlagets bredde er under 800 mm, garanteres lateral ensartethed normalt let; Når bredden af ​​underlaget er mellem 1300-1800 mm, kan den laterale ensartethed ofte kontrolleres godt, men der er en vis vanskelighed og en betydelig grad af professionalisme er påkrævet; Når substratbredden er over 2000 mm, er det meget vanskeligt at kontrollere den laterale ensartethed, og kun få producenter kan håndtere det godt. Når produktionsbatchen (dvs. belægningslængden) øges, kan langsgående ensartethed blive en større vanskelighed eller udfordring end tværgående ensartethed.