Kvalitetsstyring av positive elektrodematerialer for litiumbatterier

Kvalitetsstyring av positive elektrodematerialer for litiumbatterier

Ytelsen til litium-ion-batterier er nært knyttet til kvaliteten på positive elektrodematerialer.

Denne artikkelen introduserer flere feilformer for positive elektrodematerialer som har en betydelig innvirkning på ytelsen til litiumion-batterier, for eksempel blanding med fremmedlegemer av metall, overdreven fuktighet og dårlig batchkonsistens. Den belyser den alvorlige skaden disse feilformene forårsaker for batteriytelsen, og forklarer hvordan man unngår disse feilene fra et kvalitetsstyringsperspektiv, og gir sterke garantier for ytterligere å forhindre kvalitetsproblemer og forbedre kvaliteten på litiumion-batterier.

Som vi alle vet, er katodematerialet et av de viktigste kjernematerialene til litiumionbatterier, og ytelsen påvirker direkte ytelsesindikatorene til litiumionbatterier. For tiden inkluderer de markedsførte katodematerialene til litiumionbatterier litiumkobalat, litiummanganat, litiumjernfosfat, ternære materialer og andre produkter.

Sammenlignet med andre råvarer for litium-ion-batterier, er utvalget av positive elektrodematerialer mer mangfoldig, produksjonsprosessen er også mer kompleks, og risikoen for kvalitetssvikt er større, noe som krever høyere kvalitetsstyringskrav. Denne artikkelen diskuterer de vanlige feilformene og tilsvarende forebyggende tiltak for positive elektrodematerialer for litiumionbatterier fra materialbrukernes perspektiv.

1. Fremmedmetallgjenstander blandet i det positive elektrodematerialet

Når det er jern (Fe), kobber (Cu), krom (Cr), nikkel (Ni), sink (Zn), sølv (Ag) og andre metallurenheter i katodematerialet, når spenningen i dannelsesstadiet av batteriet når oksidasjons- og reduksjonspotensialet til disse metallelementene, vil disse metallene oksideres først i den positive polen og deretter reduseres til den negative polen. Når metallelementene ved den negative polen akkumuleres til en viss grad, vil de harde kantene og hjørnene på det avsatte metallet trenge gjennom membranen og forårsake selvutlading av batteriet.

Selvutlading kan ha en dødelig innvirkning på litium-ion-batterier, så det er spesielt viktig å forhindre innføring av fremmedlegemer av metall fra kilden.

Det er mange produksjonsprosesser for positive elektrodematerialer, og det er en risiko for at fremmedlegemer av metall blir introdusert i hvert trinn av produksjonsprosessen. Dette stiller høyere krav til utstyrsautomatiseringsnivået og kvalitetsstyringsnivået på stedet hos materialleverandører. Imidlertid har materialleverandører ofte lavere nivåer av utstyrsautomatisering på grunn av kostnadsbegrensninger, noe som resulterer i flere bruddpunkter i produksjons- og produksjonsprosesser, og en økning i ukontrollerbar risiko.

Derfor, for å sikre stabil batteriytelse og forhindre selvutlading, må batteriprodusenter fremme materialleverandører for å forhindre innføring av fremmedlegemer av metall fra fem aspekter: menneske, maskin, materiale, metode og miljø.

Med utgangspunkt i personellkontroll bør ansatte ha forbud mot å bære fremmedlegemer av metall inn i verkstedet, ha på seg smykker og bruke arbeidsklær, sko og hansker når de går inn i verkstedet for å unngå kontakt med fremmedlegemer av metall før de kommer i kontakt med pulver. Å etablere en tilsyns- og inspeksjonsmekanisme, dyrke ansattes kvalitetsbevissthet, og få dem bevisst til å etterleve og vedlikeholde verkstedmiljøet.

Produksjonsutstyr er hovedleddet for innføring av fremmedlegemer, som rust og iboende materialslitasje på utstyrskomponenter og verktøy som kommer i kontakt med materialer; Utstyrskomponenter og verktøy som ikke kommer i direkte kontakt med materialet, og støv fester seg og flyter inn i materialet på grunn av luftstrømmen i verkstedet. I henhold til graden av påvirkning kan forskjellige behandlingsmetoder brukes, for eksempel maling, utskifting med ikke-metalliske materialebelegg (plast, keramikk) og innpakning av bare metallkomponenter. Ledere bør også etablere tilsvarende regler og forskrifter for å tydelig definere hvordan de skal håndtere fremmedlegemer av metall, etablere en sjekkliste og kreve at ansatte gjennomfører regelmessige inspeksjoner for å forhindre potensielle problemer.

Råvarer er den direkte kilden til fremmedlegemer av metall i positive elektrodematerialer. De innkjøpte råvarene bør ha forskrifter om innhold av fremmedlegemer av metall. Etter å ha kommet inn på fabrikken, bør streng inspeksjon utføres for å sikre at innholdet er innenfor det angitte området. Hvis innholdet av metallurenheter i råvarene overstiger standarden, er det vanskelig å fjerne dem i etterfølgende prosesser.

For å fjerne fremmedlegemer av metall har elektromagnetisk jernfjerning blitt en nødvendig prosess i produksjonen av positive elektrodematerialer. Elektromagnetiske jernfjerningsmaskiner er mye brukt, men dette utstyret fungerer ikke på ikke-magnetiske metallstoffer som kobber og sink. Derfor bør verkstedet unngå bruk av kobber- og sinkkomponenter. Om nødvendig anbefales det også å unngå direkte kontakt med pulver eller eksponering for luft. I tillegg har installasjonsposisjonen, antall installasjoner og parameterinnstillinger for den elektromagnetiske jernfjerneren også en viss innvirkning på jernfjerningseffekten.

For å sikre verkstedmiljøet og oppnå overtrykk i verkstedet er det også nødvendig å etablere doble dører og luftdusjdører for å hindre at utvendig støv kommer inn i verkstedet og forurenser materialer. Samtidig bør verkstedutstyr og stålkonstruksjoner unngå rust, og bakken bør også males og regelmessig avmagnetiseres.

2. Fuktighetsinnholdet i det positive elektrodematerialet overskrider standarden

De positive elektrodematerialene er for det meste mikron- eller nanoskala partikler, som er lette å absorbere fuktighet fra luften, spesielt ternære materialer med høyt Ni-innhold. Når du forbereder den positive elektrodepastaen, hvis det positive elektrodematerialet har høyt vanninnhold, vil løseligheten til PVDF reduseres etter at NMP absorberer vann under slurryblandingsprosessen, noe som vil føre til at pastagelen blir gelé, noe som påvirker prosessytelsen. Etter å ha laget et batteri, vil dets kapasitet, indre motstand, sirkulasjon og forstørrelse bli påvirket, så fuktighetsinnholdet i det positive elektrodematerialet, som fremmedlegemer av metall, bør være et sentralt kontrollprosjekt.

Jo høyere automatiseringsnivået til produksjonslinjeutstyret er, jo kortere blir eksponeringstiden for pulveret i luften, og jo mindre vann introduseres. Å fremme materialleverandører for å forbedre utstyrsautomatisering, som å oppnå full rørledningstransport, overvåke rørledningsduggpunkter og installere robotarmer for å oppnå automatisk lasting og lossing, bidrar sterkt til å forhindre innføring av fuktighet. Noen materialleverandører er imidlertid begrenset av fabrikkdesign eller kostnadstrykk, og når utstyrsautomatiseringen ikke er høy og det er mange bruddpunkter i produksjonsprosessen, er det nødvendig å strengt kontrollere eksponeringstiden til pulveret. Det er best å bruke nitrogenfylte fat til pulveret under overføringsprosessen.
Temperaturen og fuktigheten i produksjonsverkstedet er også en sentral kontrollindikator, og teoretisk sett, jo lavere duggpunkt, jo gunstigere er det. De fleste materialleverandører fokuserer på fuktighetskontroll etter sintringsprosessen. De mener at en sintringstemperatur på rundt 1000 grader Celsius kan fjerne det meste av fuktigheten i pulveret. Så lenge fuktinnføringen fra sintringsprosessen til pakkestadiet er strengt kontrollert, kan det i utgangspunktet sikre at fuktighetsinnholdet i materialet ikke overskrider standarden.

Dette betyr selvfølgelig ikke at det ikke er behov for å kontrollere fuktigheten før sintringsprosessen, for hvis for mye fuktighet introduseres i den forrige prosessen, vil sintringseffektiviteten og materialets mikrostruktur bli påvirket. I tillegg er pakkemetoden også veldig viktig. De fleste materialleverandører bruker aluminiumsplastposer til vakuumpakking, noe som i dag ser ut til å være den mest økonomiske og effektive metoden.

Selvfølgelig kan forskjellige materialdesign også ha betydelige forskjeller i vannabsorpsjon, for eksempel forskjeller i beleggmaterialer og spesifikt overflateareal, noe som kan påvirke deres vannabsorpsjon. Selv om enkelte materialleverandører forhindrer innføring av fukt under produksjonsprosessen, har materialene i seg selv egenskapen at de er lett å absorbere vann, noe som gjør det ekstremt vanskelig å tørke ut fuktigheten etter å ha blitt laget til elektrodeplater, noe som skaper problemer for batteriprodusentene. Derfor, når du utvikler nye materialer, bør det tas hensyn til spørsmålet om vannabsorpsjon og utvikling av materialer med høyere universalitet, noe som er svært gunstig for både tilbud og etterspørsel.

3. Dårlig batchkonsistens av 3 positive elektrodematerialer

For batteriprodusenter, jo mindre forskjell og bedre konsistens mellom partier med positive elektrodematerialer, jo mer stabil kan ytelsen til det ferdige batteriet være. Som vi alle vet, er en av hovedulempene med litiumjernfosfatkatodemateriale den dårlige batchstabiliteten. I prosessen med masseproduksjon er viskositeten og faststoffinnholdet i hver batch av slurry ustabil på grunn av store batch-svingninger, noe som gir problemer for brukerne og krever konstant prosessjustering for å tilpasse seg.

Å forbedre automatiseringsgraden til produksjonsutstyr er hovedmetoden for å forbedre batchstabiliteten til litiumjernfosfatmaterialer. For tiden er imidlertid utstyrsautomatiseringsgraden til innenlandske leverandører av litiumjernfosfatmaterialer generelt lav, det tekniske nivået og kvalitetsstyringsevnen er ikke høy, og materialene som leveres har batchustabilitetsproblemer av ulik grad. Fra brukernes perspektiv, hvis batchforskjeller ikke kan elimineres, håper vi at jo større vekt en batch har, jo bedre, forutsatt at materialene i samme batch er ensartede og stabile.

Så for å oppfylle dette kravet legger leverandører av jernlitiummaterialer ofte til en blandingsprosess etter å ha laget det ferdige produktet, som er å blande flere partier av materialer jevnt. Jo større volum blandekjelen er, desto flere materialer inneholder den, og jo større mengden blandet batch.

Partikkelstørrelsen, spesifikt overflateareal, fuktighet, pH-verdi og andre indikatorer for jernlitiummaterialer kan påvirke viskositeten til den produserte slurryen. Imidlertid er disse indikatorene ofte strengt kontrollert innenfor et visst område, og det kan fortsatt være betydelige forskjeller i viskositet mellom batcher av slurry. For å forhindre uregelmessigheter under batchbruk, er det ofte nødvendig å simulere produksjonsformelen og forberede noen slurry-viskositetstester på forhånd før de tas i bruk, og først etter at kravene er oppfylt, kan de tas i bruk, men hvis batteriprodusenter gjennomfører testing før hver produksjon, vil det redusere produksjonseffektiviteten betraktelig, så de vil videresende dette arbeidet til materialleverandøren og kreve at materialleverandøren fullfører testingen og oppfyller kravene før sending.

Selvfølgelig, med fremskritt av teknologi og forbedring av materialleverandørers prosessevner, blir spredningen av fysiske egenskaper mindre og mindre, og trinnet med å teste viskositeten før forsendelse kan utelates. I tillegg til tiltakene nevnt ovenfor for å forbedre konsistensen, bør vi også bruke kvalitetsverktøy for å minimere batch-ustabilitet og forhindre at kvalitetsproblemer oppstår. Hovedsakelig med utgangspunkt i følgende aspekter.

(1) Etabler driftsprosedyrer.

Den iboende kvaliteten til et produkt er både designet og produsert. Derfor er hvordan operatører opererer spesielt viktig for å kontrollere produktkvaliteten, og det bør etableres detaljerte og spesifikke driftsstandarder.

(2) Identifikasjon av CTQ.

Identifisere nøkkelindikatorer og prosesser som påvirker produktkvaliteten, overvåke disse nøkkelindikatorene og utvikle tilsvarende beredskapstiltak. Ortofosforsyrejernbanelinjen er hovedstrømmen i dagens fremstilling av litiumjernfosfat. Dens prosesser inkluderer batching, kulefresing, sintring, knusing, pakking, etc. Kulefresingsprosessen bør styres som en nøkkelprosess, fordi hvis konsistensen til den primære partikkelstørrelsen etter kulemaling ikke er godt kontrollert, vil konsistensen til partikkelen størrelsen på det ferdige produktet vil bli påvirket, noe som vil påvirke batch-konsistensen av materialer.

(3) Bruk av SPC.

Gjennomfør SPC-sanntidsovervåking av nøkkelkarakteristiske parametere for nøkkelprosesser, analyser unormale punkter, identifiser årsakene til ustabilitet, ta effektive korrigerende og forebyggende tiltak, og unngå at defekte produkter strømmer til kunden.

4. Andre ugunstige situasjoner

Når du lager slurry, blandes det positive elektrodematerialet jevnt med løsemidler, lim og ledende midler i en viss andel i slurrytanken, og slippes deretter ut gjennom rørledningen. En filterskjerm er installert ved utløpet for å fange opp store partikler og fremmedlegemer i det positive elektrodematerialet og sikre kvaliteten på belegget. Hvis det positive elektrodematerialet inneholder store partikler, vil det føre til tilstopping av filtersilen. Hvis sammensetningen av de store partiklene fortsatt er det positive elektrodematerialet i seg selv, vil det kun påvirke produksjonseffektiviteten og vil ikke påvirke batteriets ytelse, og slike tap kan reduseres. Men hvis sammensetningen av disse store partiklene er usikker og de er andre metallfremmede gjenstander, vil den allerede lagde slurryen bli fullstendig skrotet, noe som resulterer i store tap.

Forekomsten av denne unormaliteten bør skyldes interne kvalitetsstyringsproblemer hos materialleverandøren. De fleste positive elektrodematerialer produseres gjennom screeningsprosesser, og om skjermen er skadet, inspisert og erstattet i tide. Hvis skjermen er skadet, er det ingen anti-lekkasjetiltak, og om store partikler oppdages under fabrikkinspeksjon må fortsatt forbedres.