Belegningsprosess og defekter på litiumbatterier

Belegningsprosess og defekter på litiumbatterier

01

Påvirkningen av beleggprosessen på ytelsen til litiumbatterier

Polarbelegg refererer generelt til en prosess med jevn belegning av en omrørt slurry på en strømkollektor og tørking av de organiske løsningsmidlene i slurryen. Beleggeffekten har en betydelig innvirkning på batterikapasitet, intern motstand, sykluslevetid og sikkerhet, og sikrer jevn belegging av elektroden. Valget av beleggmetoder og kontrollparametere har en betydelig innvirkning på ytelsen til litiumionbatterier, hovedsakelig manifestert i:

1) Tørketemperaturkontroll for belegg: Hvis tørketemperaturen er for lav under belegging, kan det ikke garantere fullstendig tørking av elektroden. Hvis temperaturen er for høy, kan det skyldes den raske fordampningen av organiske løsningsmidler inne i elektroden, noe som resulterer i sprekker, avskalling og andre fenomener på overflatebelegget til elektroden;

2) Beleggsoverflatetetthet: Hvis beleggets overflatetetthet er for liten, kan det hende at batterikapasiteten ikke når den nominelle kapasiteten. Hvis beleggets overflatetetthet er for høy, er det lett å forårsake sløsing med ingredienser. I alvorlige tilfeller, hvis det er for stor positiv elektrodekapasitet, vil litiumdendritter dannes på grunn av litiumutfelling, som gjennomborer batteriseparatoren og forårsaker kortslutning, noe som utgjør en sikkerhetsrisiko;

3) Beleggstørrelse: Hvis beleggstørrelsen er for liten eller for stor, kan det føre til at den positive elektroden inne i batteriet ikke dekkes helt av den negative elektroden. Under ladeprosessen blir litiumioner innebygd fra den positive elektroden og beveger seg inn i elektrolytten som ikke er fullstendig dekket av den negative elektroden. Den faktiske kapasiteten til den positive elektroden kan ikke utnyttes effektivt. I alvorlige tilfeller kan det dannes litiumdendritter inne i batteriet, som lett kan punktere separatoren og forårsake intern kretsskade;

4) Beleggtykkelse: Hvis beleggtykkelsen er for tynn eller for tykk, vil det påvirke den påfølgende elektroderulleprosessen og kan ikke garantere konsistensen av batterielektrodeytelsen.

I tillegg er elektrodebelegg av stor betydning for sikkerheten til batterier. Før maling bør det gjøres 5S-arbeid for å sikre at ingen partikler, rusk, støv osv. blandes inn i elektroden under malingsprosessen. Hvis noe rusk er blandet, vil det forårsake en mikrokortslutning inne i batteriet, som kan føre til brann og eksplosjon i alvorlige tilfeller.

02

Valg av malingsutstyr og malingsprosess

Den generelle belegningsprosessen inkluderer: avvikling → skjøting → trekking → spenningskontroll → belegg → tørking → korreksjon → spenningskontroll → korreksjon → vikling og andre prosesser. Belegningsprosessen er kompleks, og det er også mange faktorer som påvirker belegningseffekten, for eksempel produksjonsnøyaktigheten til belegningsutstyret, jevnheten av utstyrsoperasjonen, kontrollen av dynamisk spenning under belegningsprosessen, størrelsen på luftstrømmen under tørkeprosessen og temperaturkontrollkurven. Derfor er det ekstremt viktig å velge en passende belegningsprosess.

Det generelle valget av belegningsmetode må ta hensyn til følgende aspekter, inkludert: antall lag som skal belegges, tykkelsen på det våte belegget, de reologiske egenskapene til belegningsvæsken, den nødvendige beleggnøyaktigheten, beleggstøtten eller substratet, og belegningshastigheten.

I tillegg til de ovennevnte faktorene, er det også nødvendig å vurdere den spesifikke situasjonen og egenskapene til elektrodebelegget. Egenskapene til litiumion-batterielektrodebelegg er: ① dobbeltsidig enkeltlagsbelegg; ② Det våte belegget til slurryen er relativt tykt (100-300 μm) ③ slurryen er en ikke-newtonsk væske med høy viskositet; ④ Presisjonskravet for polarfilmbelegg er høyt, likt det for filmbelegg; ⑤ Belegg støttelegeme med en tykkelse på 10-20 μ Aluminiumsfolie og kobberfolie på m; ⑥ Sammenlignet med filmbeleggingshastigheten er ikke den polare filmbelegningshastigheten høy. Tatt i betraktning de ovennevnte faktorene, bruker generelt laboratorieutstyr ofte skrapetype, forbrukerlitium-ion-batterier bruker ofte rullebeleggoverføringstype, og kraftbatterier bruker ofte ekstruderingsmetode med smal spor.

Skrapebelegg: Arbeidsprinsippet er vist i figur 1. Foliesubstratet passerer gjennom belegningsvalsen og kommer i direkte kontakt med slamtanken. Overflødig slurry påføres folieunderlaget. Når underlaget passerer mellom belegningsvalsen og skraperen, bestemmer gapet mellom skraperen og substratet beleggtykkelsen. Samtidig skrapes overflødig slurry av og tilbakeløpskjøles, og danner et jevnt belegg på overflaten av substratet. Hovedtypene skrapere er kommaskrapere. Kommaskrapen er en av nøkkelkomponentene i belegningshodet. Den er vanligvis maskinert langs generatrisen på overflaten av den sirkulære valsen for å danne et kommalignende blad. Denne typen skraper har høy styrke og hardhet, er lett å kontrollere beleggmengden og nøyaktigheten, og er egnet for høyt faststoffinnhold og høyviskositetsoppslemminger.

Rullebeleggoverføringstype: Belegningsvalsen roterer for å drive slurryen, justere slamoverføringsmengden gjennom gapet mellom kommaskrapen, og bruk rotasjonen av bakrullen og belegningsvalsen for å overføre slurryen til underlaget. Prosessen er vist i figur 2. Overføringsbelegg med rullebelegg involverer to grunnleggende prosesser: (1) Rotasjonen av belegningsvalsen driver slurryen til å passere gjennom gapet mellom målevalsene, og danner en viss tykkelse av slurrylaget; (2) En viss tykkelse av slurrylaget overføres til folien ved å rotere belegningsrullen og bakrullen i motsatte retninger for å danne et belegg.

Smal spalteekstruderingsbelegg: Som en presisjons våtbeleggsteknologi, som vist i figur 3, er arbeidsprinsippet at belegningsvæsken ekstruderes og sprayes langs hullene i belegningsformen under et visst trykk og strømningshastighet, og overføres til underlaget . Sammenlignet med andre belegningsmetoder har den mange fordeler, for eksempel rask belegningshastighet, høy nøyaktighet og jevn våttykkelse; Malingssystemet er lukket, noe som kan hindre at forurensninger kommer inn under malingsprosessen. Slurryutnyttelsesgraden er høy, og slurryegenskapene er stabile. Den kan belegges i flere lag samtidig. Og den kan tilpasse seg forskjellige områder av slurryviskositet og faststoffinnhold, og har sterkere tilpasningsevne sammenlignet med overføringsbeleggteknologi.

03

Beleggsfeil og påvirkningsfaktorer

Redusering av beleggsfeil, forbedring av beleggkvalitet og -utbytte og reduksjon av kostnader under belegningsprosessen er viktige aspekter som må studeres i belegningsprosessen. De vanlige problemene som oppstår i belegningsprosessen er tykt hode og tynn hale, tykke kanter på begge sider, mørke flekker, ru overflate, synlig folie og andre defekter. Tykkelsen på hodet og halen kan justeres av åpnings- og lukketiden til beleggventilen eller intermitterende ventil. Problemet med tykke kanter kan forbedres ved å justere slurryens egenskaper, belegningsgap, slurrystrømningshastighet osv. Overflatens ruhet, ujevnheter og striper kan forbedres ved å stabilisere folien, redusere hastigheten, justere luftvinkelen kniv osv.

Substrat - Slurry

Forholdet mellom de grunnleggende fysiske egenskapene til slurryen og belegget: I selve prosessen har slurryens viskositet en viss innvirkning på beleggeffekten. Viskositeten til oppslemmingen som tilberedes varierer avhengig av elektroderåmaterialene, oppslemmingsforholdet og typen bindemiddel som er valgt. Når viskositeten til slurryen er for høy, kan belegget ofte ikke utføres kontinuerlig og stabilt, og belegningseffekten påvirkes også.

Ensartetheten, stabiliteten, kant- og overflateeffektene til beleggløsningen påvirkes av de reologiske egenskapene til beleggløsningen, som direkte bestemmer kvaliteten på belegget. Teoretisk analyse, beleggingseksperimentelle teknikker, fluiddynamikk endelige element-teknikker og andre forskningsmetoder kan brukes til å studere belegningsvinduet, som er prosessoperasjonsområdet for stabil belegg og oppnå jevn belegg.

Underlag - Kobberfolie og aluminiumsfolie

Overflatespenning: Overflatespenningen til kobberaluminiumsfolie må være høyere enn overflatespenningen til den belagte løsningen, ellers vil løsningen være vanskelig å spre flatt på underlaget, noe som resulterer i dårlig beleggkvalitet. Et prinsipp å følge er at overflatespenningen til løsningen som skal belegges bør være 5 dyn/cm lavere enn for underlaget, selv om dette kun er et grovt estimat. Overflatespenningen til løsningen og substratet kan justeres ved å justere formelen eller overflatebehandlingen av substratet. Måling av overflatespenning mellom de to bør også betraktes som et kvalitetskontrolltestelement.

Ensartet tykkelse: I en prosess som ligner på skrapebelegg, kan ujevn tykkelse på underlagets tverroverflate føre til ujevn beleggtykkelse. Fordi i belegningsprosessen styres beleggtykkelsen av gapet mellom skrapen og underlaget. Hvis det er en lavere tykkelse på underlaget horisontalt, vil det være mer løsning som passerer gjennom det området, og beleggtykkelsen vil også være tykkere, og omvendt. Hvis tykkelsessvingningen til underlaget kan sees fra tykkelsesmåleren, vil den endelige fluktuasjonen av filmtykkelse også vise samme avvik. I tillegg kan sidetykkelsesavvik også føre til viklingsfeil. Så for å unngå slike feil er det viktig å kontrollere tykkelsen på råvarene

Statisk elektrisitet: På belegningslinjen genereres mye statisk elektrisitet på overflaten av underlaget når det påføres ved avvikling og passering gjennom ruller. Den genererte statiske elektrisiteten kan lett adsorbere luft og askelaget på valsen, noe som resulterer i beleggsfeil. Under utladningsprosessen kan statisk elektrisitet også forårsake elektrostatiske defekter på overflaten av belegget, og mer alvorlig, det kan til og med forårsake brann. Hvis luftfuktigheten er lav om vinteren, vil problemet med statisk elektrisitet på malingslinjen være mer fremtredende. Den mest effektive måten å redusere slike defekter på er å holde miljøfuktigheten så høy som mulig, jorde beleggstråden og installere noen antistatiske enheter.

Renslighet: Urenheter på overflaten av underlaget kan forårsake noen fysiske defekter, som fremspring, smuss osv. Så i produksjonsprosessen av underlag er det nødvendig å kontrollere renheten til råvarene godt. Online membranrengjøringsruller er en relativt effektiv metode for å fjerne urenheter i underlaget. Selv om ikke alle urenheter på membranen kan fjernes, kan det effektivt forbedre kvaliteten på råvarene og redusere tap.

04

Defekt kart over litiumbatteripoler

【1】 Bobledefekter i det negative elektrodebelegget til litiumionbatterier

Den negative elektrodeplaten med bobler i det venstre bildet og 200x forstørrelsen av skanningselektronmikroskopet i det høyre bildet. Under prosessen med blanding, transport og belegg, blandes støv eller lange flokker og andre fremmedlegemer inn i beleggsløsningen eller faller ned på overflaten av det våte belegget. Overflatespenningen til belegget på dette punktet påvirkes av ytre krefter, noe som forårsaker endringer i intermolekylære krefter, noe som resulterer i mild overføring av slurryen. Etter tørking dannes det sirkulære merker, med et tynt senter.

【2】 Pinhole

Den ene er generering av bobler (røreprosess, transportprosess, belegningsprosess); Pinhole-defekten forårsaket av bobler er relativt lett å forstå. Bobler i den våte filmen migrerer fra det indre laget til overflaten av filmen, og sprekker på overflaten for å danne en pinhole-defekt. Bobler kommer hovedsakelig fra dårlig flyt, dårlig utjevning og dårlig frigjøring av bobler under blanding, væsketransport og belegningsprosesser.

【3】 Riper

Mulige årsaker: Fremmede gjenstander eller store partikler som setter seg fast i den smale spalten eller malingsspalten, dårlig substratkvalitet, forårsaker at fremmedlegemer blokkerer malingsspalten mellom bestrykningsvalsen og bakvalsen, og skade på formleppen.

【4】 Tykk kant

Årsaken til dannelsen av tykke kanter er drevet av overflatespenningen til slurryen, som får slurryen til å migrere mot den ubelagte kanten av elektroden, og danner tykke kanter etter tørking.

【5】 Aggregerte partikler på den negative elektrodeoverflaten

Formel: Sfærisk grafitt+SUPER C65+CMC+destillert vann

Makromorfologi av polarisatorer med to forskjellige røreprosesser: glatt overflate (venstre) og tilstedeværelse av et stort antall små partikler på overflaten (høyre)

Formel: Sfærisk grafitt+SUPER C65+CMC/SBR+Destillert vann

Forstørret morfologi av små partikler på overflaten av elektroden (a og b): Aggregater av ledende midler, ikke fullstendig spredt.

Forstørret morfologi til polarisatorer med glatt overflate: Det ledende midlet er fullstendig spredt og jevnt fordelt.

【6】 Agglomererte partikler på den positive elektrodeoverflaten

Formel: NCA+acetylensvart+PVDF+NMP

Under blandingsprosessen er miljøfuktigheten for høy, noe som fører til at slurryen blir geléaktig, det ledende middelet er ikke fullstendig spredt, og det er et stort antall partikler på overflaten av polarisatoren etter rulling.

【7】 Sprekker i vannsystemets polare plater

Formel: NMC532/kønrøk/bindemiddel=90/5/5 vekt%, vann/isopropanol (IPA) løsningsmiddel

Optiske bilder av overflatesprekker på polarisatorer, med beleggstettheter på henholdsvis (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 og (d) 25 mg/cm2. Tykke polarisatorer er mer utsatt for sprekker.

【8】 Krymping på overflaten av polarisatoren

Formel: flak grafitt+SP+CMC/SBR+destillert vann

Tilstedeværelsen av forurensende partikler på overflaten av folien resulterer i et lavt overflatespenningsområde av den våte filmen på overflaten av partiklene. Væskefilmen avgir og migrerer mot periferien av partiklene, og danner krympepunktdefekter.

【9】 Riper på overflaten av elektroden

Formel: NMC532+SP+PVdF+NMP

Ekstrudert belegg med smalt søm, med store partikler på skjærekanten som forårsaker folielekkasje og riper på overflaten av elektroden.

【10】 Belegger vertikale striper

Formel: NCA+SP+PVdF+NMP

I det senere stadiet av overføringsbelegget øker vannabsorpsjonsviskositeten til slurryen, og nærmer seg den øvre grensen for belegningsvinduet under belegging, noe som resulterer i dårlig utjevning av slurryen og dannelse av vertikale striper.

【11】 Rullpressende sprekker i området der polarfilmen ikke er helt tørket

Formel: flak grafitt+SP+CMC/SBR+destillert vann

Under belegget er ikke det midterste området av polarisatoren helt tørt, og under rulling migrerer belegget og danner strimmelformede sprekker.

【12】 Kantrynker ved polar valsepressing

Fenomenet med tykke kanter dannet av belegg, rullepressing og rynking av beleggkantene

【13】 Negativt elektrodeskjærende belegg løsnet fra folien

Formel: naturlig grafitt+acetylensvart+CMC/SBR+destillert vann, aktivt stoffforhold 96 %

Når polarskiven kuttes, løsner belegget og folien.

【14】 Kantskjærende grader

Under skjæringen av den positive elektrodeskiven fører ustabil spenningskontroll til dannelse av foliegrater under sekundær skjæring.

【15】 Polar skive skjærende bølgekant

Under skjæringen av den negative elektrodeskiven, på grunn av upassende overlapping og trykk på skjærebladene, dannes bølgekanter og beleggsløsning av snittet.

【16】 Andre vanlige beleggsdefekter inkluderer luftinfiltrasjon, sidebølger, sagging, elveløp, ekspansjon, vannskader osv.

Defekter kan oppstå i ethvert bearbeidingsstadium: beleggpreparering, substratproduksjon, substratdrift, belegningsområde, tørkeområde, skjæring, slisse, valseprosess, etc. Hva er den generelle logiske metoden for å løse defekter?

1.Under prosessen fra pilotproduksjon til produksjon er det nødvendig å optimalisere produktformelen, belegnings- og tørkeprosessen, og finne et relativt godt eller bredt prosessvindu.

2. Bruk noen kvalitetskontrollmetoder og statistiske verktøy (SPC) for å kontrollere kvaliteten på produktene. Ved å overvåke og kontrollere den stabile beleggtykkelsen online, eller bruke et visuelt utseendeinspeksjonssystem (Visual System) for å se etter defekter på beleggets overflate.

3. Når produktfeil oppstår, juster prosessen i tide for å unngå gjentatte defekter.

05

Ensartethet av belegg

Den såkalte uniformiteten til belegget refererer til konsistensen av fordelingen av beleggtykkelse eller limmengde innenfor beleggområdet. Jo bedre konsistensen av beleggtykkelsen eller limmengden er, desto bedre blir beleggets jevnhet, og omvendt. Det er ingen enhetlig måleindeks for beleggens ensartethet, som kan måles ved avviket eller prosentvis avvik av beleggtykkelsen eller limmengden på hvert punkt i et bestemt område i forhold til den gjennomsnittlige beleggtykkelsen eller limmengden i det området, eller ved forskjellen mellom maksimal og minimum beleggtykkelse eller limmengde i et bestemt område. Beleggtykkelsen uttrykkes vanligvis i µm.

Ensartetheten til belegget brukes til å evaluere den generelle beleggtilstanden til et område. Men i selve produksjonen bryr vi oss vanligvis mer om jevnheten i både horisontal og vertikal retning av underlaget. Den såkalte horisontale ensartetheten refererer til jevnheten til beleggets bredderetning (eller maskinens horisontale retning). Den såkalte langsgående uniformiteten refererer til ensartetheten i retningen av belegglengden (eller substratets reiseretning).

Det er betydelige forskjeller i størrelse, påvirkningsfaktorer og kontrollmetoder for horisontale og vertikale limpåføringsfeil. Generelt, jo større bredden på underlaget (eller belegget er), desto vanskeligere er det å kontrollere den sideveis jevnheten. Basert på mange års praktisk erfaring med belegg på nett, når underlagsbredden er under 800 mm, er sideveis jevnhet vanligvis lett garantert; Når bredden på underlaget er mellom 1300-1800 mm, kan den sideveis jevnheten ofte kontrolleres godt, men det er en viss vanskelighet og det kreves en betydelig grad av profesjonalitet; Når substratbredden er over 2000 mm, er det svært vanskelig å kontrollere sidelikheten, og bare noen få produsenter kan håndtere det godt. Når produksjonspartiet (dvs. belegglengden) øker, kan langsgående jevnhet bli en større vanskelighet eller utfordring enn tverrgående jevnhet.