Kvalitetshantering av positiva elektrodmaterial för litiumbatterier

Kvalitetshantering av positiva elektrodmaterial för litiumbatterier

Prestanda hos litiumjonbatterier är nära relaterad till kvaliteten på positiva elektrodmaterial.

Den här artikeln introducerar flera felformer av positiva elektrodmaterial som har en betydande inverkan på prestanda hos litiumjonbatterier, såsom blandning med främmande metallföremål, överdriven fukt och dålig batchkonsistens. Den belyser den allvarliga skada som dessa felformer orsakar för batteriprestanda, och förklarar hur man undviker dessa fel ur ett kvalitetsledningsperspektiv, vilket ger starka garantier för att ytterligare förebygga kvalitetsproblem och förbättra kvaliteten på litiumjonbatterier.

Som vi alla vet är katodmaterialet ett av de viktigaste kärnmaterialen i litiumjonbatterier, och dess prestanda påverkar direkt prestandaindikatorerna för litiumjonbatterier. För närvarande inkluderar de marknadsförda katodmaterialen i litiumjonbatterier litiumkobalat, litiummanganat, litiumjärnfosfat, ternära material och andra produkter.

Jämfört med andra råmaterial för litiumjonbatterier är variationen av positiva elektrodmaterial mer varierad, produktionsprocessen är också mer komplex och risken för kvalitetsfel är större, vilket kräver högre kvalitetsledningskrav. Den här artikeln diskuterar de vanliga felformerna och motsvarande förebyggande åtgärder för positiva elektrodmaterial för litiumjonbatterier ur materialanvändarnas perspektiv.

1. Främmande metallföremål blandade i det positiva elektrodmaterialet

När det finns järn (Fe), koppar (Cu), krom (Cr), nickel (Ni), zink (Zn), silver (Ag) och andra metallföroreningar i katodmaterialet, när spänningen i bildningsstadiet av batteriet når oxidations- och reduktionspotentialen för dessa metallelement, kommer dessa metaller att oxideras först i den positiva polen och sedan reduceras till den negativa polen. När metallelementen vid minuspolen ackumuleras i viss utsträckning, kommer de hårda kanterna och hörnen på den avsatta metallen att tränga igenom membranet, vilket orsakar självurladdning av batteriet.

Självurladdning kan ha en dödlig inverkan på litiumjonbatterier, så det är särskilt viktigt att förhindra införandet av främmande metallföremål från källan.

Det finns många produktionsprocesser för material med positiva elektroder, och det finns risk för att främmande metallföremål införs i varje steg av tillverkningsprocessen. Detta ställer högre krav på utrustningsautomationsnivån och kvalitetsledningsnivån på plats hos materialleverantörer. Emellertid har materialleverantörer ofta lägre nivåer av automatisering av utrustning på grund av kostnadsbegränsningar, vilket resulterar i fler brytpunkter i produktions- och tillverkningsprocesser och en ökning av okontrollerbara risker.

Därför, för att säkerställa stabil batteriprestanda och förhindra självurladdning, måste batteritillverkare främja materialleverantörer för att förhindra införandet av främmande metallföremål från fem aspekter: människa, maskin, material, metod och miljö.

Med utgångspunkt från personalkontroll bör anställda förbjudas att bära främmande metallföremål in i verkstaden, bära smycken och bära arbetskläder, skor och handskar när de går in i verkstaden för att undvika kontakt med främmande metallföremål innan de kommer i kontakt med pulver. Att etablera en övervaknings- och kontrollmekanism, odla medarbetarnas kvalitetsmedvetenhet och få dem att medvetet följa och underhålla verkstadsmiljön.

Produktionsutrustning är huvudlänken för införandet av främmande föremål, såsom rost och inneboende materialslitage på utrustningskomponenter och verktyg som kommer i kontakt med material; Utrustningskomponenter och verktyg som inte kommer i direkt kontakt med materialet, och damm fäster och flyter in i materialet på grund av luftflödet i verkstaden. Beroende på graden av påverkan kan olika behandlingsmetoder användas, såsom målning, ersättning med icke-metalliska materialbeläggningar (plast, keramik) och omslag av barmetallkomponenter. Chefer bör också upprätta motsvarande regler och föreskrifter för att tydligt definiera hur främmande metallföremål ska hanteras, upprätta en checklista och kräva att anställda utför regelbundna inspektioner för att förhindra potentiella problem.

Råmaterial är den direkta källan till främmande metallföremål i positiva elektrodmaterial. De inköpta råvarorna bör ha föreskrifter om innehåll av främmande metallföremål. Efter att ha kommit in i fabriken bör strikt inspektion utföras för att säkerställa att deras innehåll ligger inom det specificerade intervallet. Om innehållet av metallföroreningar i råvarorna överstiger standarden är det svårt att ta bort dem i efterföljande processer.

För att avlägsna främmande metallföremål har elektromagnetisk järnborttagning blivit en nödvändig process vid framställning av positiva elektrodmaterial. Elektromagnetiska järnborttagningsmaskiner används ofta, men den här utrustningen fungerar inte på icke-magnetiska metallämnen som koppar och zink. Därför bör verkstaden undvika användning av koppar- och zinkkomponenter. Vid behov rekommenderas även att undvika direktkontakt med pulver eller exponering för luft. Dessutom har installationspositionen, antalet installationer och parameterinställningar för den elektromagnetiska järnborttagaren också en viss inverkan på järnborttagningseffekten.

För att säkerställa verkstadsmiljön och uppnå övertryck i verkstaden är det även nödvändigt att etablera dubbeldörrar och luftduschdörrar för att förhindra att externt damm kommer in i verkstaden och förorenar material. Samtidigt bör verkstadsutrustning och stålkonstruktioner undvika rost, och marken bör också målas och regelbundet avmagnetiseras.

2. Fukthalten i det positiva elektrodmaterialet överstiger standarden

De positiva elektrodmaterialen är mestadels mikron- eller nanoskala partiklar, som är lätta att absorbera fukt från luften, särskilt ternära material med hög Ni-halt. Vid beredning av den positiva elektrodpastan, om det positiva elektrodmaterialet har högt vatteninnehåll, kommer lösligheten av PVDF att minska efter att NMP absorberar vatten under slurryblandningsprocessen, vilket gör att pastagelen blir gelé, vilket påverkar bearbetningsprestandan. Efter att ett batteri har tillverkats kommer dess kapacitet, inre motstånd, cirkulation och förstoring att påverkas, så fukthalten i det positiva elektrodmaterialet, som främmande metallföremål, bör vara ett viktigt kontrollprojekt.

Ju högre automationsnivå för produktionslinjeutrustningen är, desto kortare exponeringstid för pulvret i luften och desto mindre vatten tillförs. Att främja materialleverantörer för att förbättra utrustningsautomatiseringen, såsom att uppnå fullständig rörledningstransport, övervaka rörledningens daggpunkter och installera robotarmar för att uppnå automatisk lastning och lossning, bidrar i hög grad till att förhindra införande av fukt. Vissa materialleverantörer är dock begränsade av fabriksdesign eller kostnadstryck, och när utrustningens automatisering inte är hög och det finns många brytpunkter i tillverkningsprocessen, är det nödvändigt att strikt kontrollera pulvrets exponeringstid. Det är bäst att använda kvävefyllda fat för pulvret under överföringsprocessen.
Temperaturen och luftfuktigheten i produktionsverkstaden är också en viktig kontrollindikator, och teoretiskt sett är den gynnsammare ju lägre daggpunkten är. De flesta materialleverantörer fokuserar på fuktkontroll efter sintringsprocessen. De tror att en sintringstemperatur på runt 1000 grader Celsius kan ta bort det mesta av fukten i pulvret. Så länge fuktinförandet från sintringsprocessen till förpackningsstadiet är strikt kontrollerat, kan det i princip säkerställa att fukthalten i materialet inte överstiger standarden.

Naturligtvis betyder detta inte att det inte finns något behov av att kontrollera fukt innan sintringsprocessen, för om för mycket fukt införs i den tidigare processen kommer sintringseffektiviteten och materialets mikrostruktur att påverkas. Dessutom är förpackningsmetoden också mycket viktig. De flesta materialleverantörer använder aluminiumplastpåsar för vakuumförpackning, vilket för närvarande verkar vara den mest ekonomiska och effektiva metoden.

Naturligtvis kan olika materialutformningar också ha betydande skillnader i vattenabsorption, såsom skillnader i beläggningsmaterial och specifik yta, vilket kan påverka deras vattenabsorption. Även om vissa materialleverantörer förhindrar införande av fukt under tillverkningsprocessen, har materialen i sig egenskapen att de är lätta att absorbera vatten, vilket gör det extremt svårt att torka ut fukten efter att ha gjorts till elektrodplattor, vilket orsakar problem för batteritillverkare. Därför bör man, när man utvecklar nya material, ta hänsyn till frågan om vattenabsorption och utveckling av material med högre universalitet, vilket är mycket fördelaktigt för både utbud och efterfrågan.

3. Dålig satskonsistens av 3 positiva elektrodmaterial

För batteritillverkare gäller att ju mindre skillnaden är och bättre överensstämmelse mellan partier av positiva elektrodmaterial, desto stabilare kan det färdiga batteriets prestanda vara. Som vi alla vet är en av de största nackdelarna med litiumjärnfosfatkatodmaterial den dåliga batchstabiliteten. Under massaframställningsprocessen är viskositeten och fastämnet i varje sats av slurry instabila på grund av stora satsfluktuationer, vilket medför problem för användarna och kräver konstant processjustering för att anpassa sig.

Att förbättra automatiseringsgraden för produktionsutrustning är det främsta sättet att förbättra batchstabiliteten hos litiumjärnfosfatmaterial. Men för närvarande är utrustningsautomatiseringsgraden hos inhemska leverantörer av litiumjärnfosfatmaterial generellt låg, den tekniska nivån och kvalitetshanteringsförmågan är inte hög, och de tillhandahållna materialen har problem med batchinstabilitet av olika grader. Ur användarens perspektiv, om batchskillnader inte kan elimineras, hoppas vi att ju större vikt en batch har, desto bättre, förutsatt att materialen i samma batch är enhetliga och stabila.

Så för att uppfylla detta krav lägger leverantörer av järnlitiummaterial ofta till en blandningsprocess efter att den färdiga produkten har tillverkats, vilket är att jämnt blanda flera partier av material. Ju större volym blandningskärlet är, desto mer material innehåller den och desto större mängd blandad sats.

Partikelstorlek, specifik yta, fukt, pH-värde och andra indikatorer för järnlitiummaterial kan påverka viskositeten hos den producerade slurryn. Dessa indikatorer är dock ofta strikt kontrollerade inom ett visst område, och det kan fortfarande finnas betydande skillnader i viskositet mellan uppslamningssatser. För att förhindra anomalier under batchanvändning är det ofta nödvändigt att simulera produktionsformeln och förbereda vissa slurryviskositetstester i förväg innan de tas i bruk, och först efter att kraven har uppfyllts kan de tas i bruk, men om batteritillverkare genomför testning före varje produktion kommer det att avsevärt minska produktionseffektiviteten, så de kommer att vidarebefordra detta arbete till materialleverantören och kräva att materialleverantören slutför testningen och uppfyller kraven innan leverans.

Naturligtvis blir spridningen av fysikaliska egenskaper mindre och mindre i takt med teknikens framsteg och förbättringen av materialleverantörernas processkapacitet, och steget att testa viskositeten innan leverans kan utelämnas. Utöver de åtgärder som nämns ovan för att förbättra konsekvensen bör vi också använda kvalitetsverktyg för att minimera batchinstabilitet och förhindra kvalitetsproblem från att uppstå. Främst med utgångspunkt från följande aspekter.

(1) Upprätta driftsrutiner.

Den inneboende kvaliteten hos en produkt är både designad och tillverkad. Därför är hur operatörerna arbetar särskilt viktigt för att kontrollera produktkvaliteten, och detaljerade och specifika driftsstandarder bör fastställas.

(2) Identifiering av CTQ.

Identifiera nyckelindikatorer och processer som påverkar produktkvaliteten, övervaka dessa nyckelindikatorer och utveckla motsvarande nödåtgärder. Järnvägslinjen för ortofosforsyra är huvudströmmen i den nuvarande beredningen av litiumjärnfosfat. Dess processer inkluderar batchning, kulmalning, sintring, krossning, förpackning, etc. Kulmalningsprocessen bör hanteras som en nyckelprocess, för om konsistensen av den primära partikelstorleken efter kulmalning inte är väl kontrollerad, är partikelns konsistens storleken på den färdiga produkten kommer att påverkas, vilket kommer att påverka satsens konsistens av material.

(3) Användning av SPC.

Genomför SPC-övervakning i realtid av nyckelkarakteristiska parametrar för nyckelprocesser, analysera onormala punkter, identifiera orsakerna till instabilitet, vidta effektiva korrigerande och förebyggande åtgärder och undvika att defekta produkter strömmar till kunden.

4. Andra ogynnsamma situationer

Vid framställning av slurry blandas det positiva elektrodmaterialet jämnt med lösningsmedel, lim och ledande ämnen i en viss andel i slurrytanken och släpps sedan ut genom rörledningen. En filterskärm är installerad vid utloppet för att fånga upp stora partiklar och främmande föremål i det positiva elektrodmaterialet och säkerställa beläggningens kvalitet. Om det positiva elektrodmaterialet innehåller stora partiklar kommer det att orsaka igensättning av filtersilen. Om sammansättningen av de stora partiklarna fortfarande är det positiva elektrodmaterialet i sig, kommer det bara att påverka produktionseffektiviteten och kommer inte att påverka batteriets prestanda, och sådana förluster kan minskas. Men om sammansättningen av dessa stora partiklar är osäker och de är andra främmande metallföremål, kommer den redan tillverkade slurryn att skrotas helt, vilket resulterar i enorma förluster.

Förekomsten av denna avvikelse bör bero på interna kvalitetsstyrningsproblem hos materialleverantören. De flesta positiva elektrodmaterial produceras genom screeningprocesser, och om skärmen är skadad, inspekterad och ersatt i tid. Om skärmen är skadad finns inga läckageskyddsåtgärder, och om stora partiklar upptäcks vid fabriksinspektionen behöver fortfarande förbättras.