Beläggningsprocess och defekter av litiumbatterier

Beläggningsprocess och defekter av litiumbatterier

01

Beläggningsprocessens inverkan på prestanda hos litiumbatterier

Polär beläggning avser i allmänhet en process för att jämnt belägga en omrörd slurry på en strömavtagare och torka de organiska lösningsmedlen i slurryn. Beläggningseffekten har en betydande inverkan på batterikapacitet, inre motstånd, cykellivslängd och säkerhet, vilket säkerställer en jämn beläggning av elektroden. Valet av beläggningsmetoder och kontrollparametrar har en betydande inverkan på prestanda hos litiumjonbatterier, främst manifesterad i:

1) Torktemperaturkontroll för beläggning: Om torktemperaturen är för låg under beläggning kan det inte garantera fullständig torkning av elektroden. Om temperaturen är för hög kan det bero på den snabba avdunstning av organiska lösningsmedel inuti elektroden, vilket resulterar i sprickbildning, avskalning och andra fenomen på elektrodens ytbeläggning;

2) Beläggningsytdensitet: Om beläggningsytans densitet är för liten kan det hända att batterikapaciteten inte når den nominella kapaciteten. Om beläggningens ytdensitet är för hög är det lätt att orsaka slöseri med ingredienser. I svåra fall, om det finns överdriven positiv elektrodkapacitet, bildas litiumdendriter på grund av litiumutfällning, genomborrar batteriseparatorn och orsakar kortslutning, vilket utgör en säkerhetsrisk;

3) Beläggningsstorlek: Om beläggningsstorleken är för liten eller för stor, kan det göra att den positiva elektroden inuti batteriet inte täcks helt av den negativa elektroden. Under laddningsprocessen bäddas litiumjoner in från den positiva elektroden och rör sig in i elektrolyten som inte är helt täckt av den negativa elektroden. Den faktiska kapaciteten hos den positiva elektroden kan inte utnyttjas effektivt. I svåra fall kan litiumdendriter bildas inuti batteriet, vilket lätt kan punktera separatorn och orsaka inre kretsskador;

4) Beläggningstjocklek: Om beläggningstjockleken är för tunn eller för tjock, kommer det att påverka den efterföljande elektrodvalsprocessen och kan inte garantera konsistensen av batterielektrodprestanda.

Dessutom är elektrodbeläggning av stor betydelse för batteriernas säkerhet. Före beläggning bör 5S-arbete utföras för att säkerställa att inga partiklar, skräp, damm etc. blandas in i elektroden under beläggningsprocessen. Om något skräp blandas kommer det att orsaka en mikrokortslutning inuti batteriet, vilket kan leda till brand och explosion i allvarliga fall.

02

Val av beläggningsutrustning och beläggningsprocess

Den allmänna beläggningsprocessen inkluderar: avrullning → skarvning → dragning → spänningskontroll → beläggning → torkning → korrigering → spänningskontroll → korrigering → lindning och andra processer. Beläggningsprocessen är komplex, och det finns också många faktorer som påverkar beläggningseffekten, såsom beläggningsutrustningens tillverkningsnoggrannhet, utrustningens jämnhet, kontrollen av dynamisk spänning under beläggningsprocessen, storleken på luftflödet under torkningsprocessen och temperaturkontrollkurvan. Därför är det extremt viktigt att välja en lämplig beläggningsprocess.

Det allmänna valet av beläggningsmetod måste ta hänsyn till följande aspekter, inklusive: antalet skikt som ska beläggas, tjockleken på den våta beläggningen, reologiska egenskaper hos beläggningsvätskan, den erforderliga beläggningsnoggrannheten, beläggningsstödet eller substratet, och beläggningshastigheten.

Förutom ovanstående faktorer är det också nödvändigt att överväga den specifika situationen och egenskaperna hos elektrodbeläggningen. Egenskaperna för litiumjonbatterielektrodbeläggning är: ① dubbelsidig enkelskiktsbeläggning; ② Den våta beläggningen av slammet är relativt tjock (100-300 µm) ③ Slammet är en icke Newtonsk högviskös vätska; ④ Precisionskravet för polär filmbeläggning är högt, liknande det för filmbeläggning; ⑤ Beläggningsstödkropp med en tjocklek på 10-20 μ Aluminiumfolie och kopparfolie på m; ⑥ Jämfört med filmbeläggningshastigheten är den polära filmbeläggningshastigheten inte hög. Med hänsyn till ovanstående faktorer använder allmän laboratorieutrustning ofta skraptyp, konsumentlitiumjonbatterier använder ofta rullbeläggningsöverföringstyp och kraftbatterier använder ofta strängsprutningsmetod med smala spår.

Skrapbeläggning: Arbetsprincipen visas i figur 1. Foliesubstratet passerar genom beläggningsvalsen och kommer i direkt kontakt med gödseltanken. Överskottsslam appliceras på foliesubstratet. När substratet passerar mellan beläggningsvalsen och skrapan, bestämmer gapet mellan skrapan och substratet beläggningens tjocklek. Samtidigt skrapas överskottsslam av och återloppskokas, vilket bildar en enhetlig beläggning på ytan av substratet. Huvudtyperna av skrapor är kommaskrapor. Kommaskrapan är en av nyckelkomponenterna i beläggningshuvudet. Den bearbetas vanligtvis längs generatrisen på ytan av den cirkulära valsen för att bilda ett kommaliknande blad. Denna typ av skrapa har hög hållfasthet och hårdhet, är lätt att kontrollera beläggningsmängden och noggrannhet och är lämplig för hög fasthalt och högviskositetsslam.

Rullbeläggningsöverföringstyp: Beläggningsvalsen roterar för att driva slurryn, justera slamöverföringsmängden genom gapet mellan kommaskrapan och använd rotationen av bakrullen och beläggningsvalsen för att överföra slurryn till substratet. Processen visas i figur 2. Rullbeläggningsöverföringsbeläggning involverar två grundläggande processer: (1) Beläggningsvalsens rotation driver slammet att passera genom gapet mellan mätvalsarna, vilket bildar en viss tjocklek av slamskiktet; (2) En viss tjocklek av uppslamningsskiktet överförs till folien genom att rotera beläggningsvalsen och bakrullen i motsatta riktningar för att bilda en beläggning.

Smal slits extruderingsbeläggning: Som en precisions våtbeläggningsteknik, som visas i figur 3, är arbetsprincipen att beläggningsvätskan extruderas och sprutas längs beläggningsformens gap under ett visst tryck och flödeshastighet och överförs till substratet . Jämfört med andra beläggningsmetoder har den många fördelar, såsom snabb beläggningshastighet, hög noggrannhet och jämn våttjocklek; Beläggningssystemet är inneslutet, vilket kan förhindra att föroreningar kommer in under beläggningsprocessen. Utnyttjandet av slurryn är hög och slurryns egenskaper är stabila. Den kan beläggas i flera lager samtidigt. Och den kan anpassa sig till olika intervall av slurryviskositet och fast innehåll, och har starkare anpassningsförmåga jämfört med överföringsbeläggningsteknik.

03

Beläggningsfel och påverkande faktorer

Att minska beläggningsdefekter, förbättra beläggningens kvalitet och utbyte samt sänka kostnaderna under beläggningsprocessen är viktiga aspekter som behöver studeras i beläggningsprocessen. De vanliga problemen som uppstår i beläggningsprocessen är tjockt huvud och tunn svans, tjocka kanter på båda sidor, mörka fläckar, grov yta, exponerad folie och andra defekter. Tjockleken på huvudet och svansen kan justeras genom öppnings- och stängningstiden för beläggningsventilen eller intermittentventilen. Problemet med tjocka kanter kan förbättras genom att justera slurryns egenskaper, beläggningsgap, slurryflödeshastighet etc. Ytjämnheten, ojämnheten och ränderna kan förbättras genom att stabilisera folien, minska hastigheten, justera luftens vinkel kniv osv.

Substrat - Uppslamning

Förhållandet mellan slurryns och beläggningens grundläggande fysikaliska egenskaper: I själva processen har slammets viskositet en viss inverkan på beläggningseffekten. Viskositeten hos den framställda uppslamningen varierar beroende på elektrodråmaterialen, uppslamningsförhållandet och den valda typen av bindemedel. När slurryns viskositet är för hög kan beläggningen ofta inte utföras kontinuerligt och stabilt och beläggningseffekten påverkas också.

Beläggningslösningens enhetlighet, stabilitet, kant- och yteffekter påverkas av beläggningslösningens reologiska egenskaper, som direkt bestämmer beläggningens kvalitet. Teoretisk analys, beläggningsexperimentella tekniker, flödesdynamik finita element-tekniker och andra forskningsmetoder kan användas för att studera beläggningsfönstret, vilket är processdriftsintervallet för stabil beläggning och erhållande av enhetlig beläggning.

Underlag - Kopparfolie och aluminiumfolie

Ytspänning: Ytspänningen för kopparaluminiumfolie måste vara högre än ytspänningen för den belagda lösningen, annars blir lösningen svår att sprida plant på underlaget, vilket resulterar i dålig beläggningskvalitet. En princip att följa är att ytspänningen för lösningen som ska beläggas bör vara 5 dyn/cm lägre än för substratet, även om detta bara är en grov uppskattning. Ytspänningen för lösningen och substratet kan justeras genom att justera formeln eller ytbehandlingen av substratet. Mätningen av ytspänningen mellan de två bör också betraktas som ett kvalitetskontrollprov.

Enhetlig tjocklek: I en process som liknar skraparbeläggning kan ojämn tjocklek på substratets tvärgående yta leda till ojämn beläggningstjocklek. För i beläggningsprocessen styrs beläggningens tjocklek av gapet mellan skrapan och substratet. Om det finns en lägre tjocklek på substratet horisontellt, kommer det att passera mer lösning genom det området, och beläggningstjockleken kommer också att vara tjockare, och vice versa. Om substratets tjockleksfluktuation kan ses från tjockleksmätaren, kommer den slutliga filmtjockleksfluktuationen också att visa samma avvikelse. Dessutom kan tjockleksavvikelser i sidled också leda till defekter i lindningen. Så för att undvika sådana defekter är det viktigt att kontrollera tjockleken på råvarorna

Statisk elektricitet: På beläggningslinjen genereras mycket statisk elektricitet på ytan av substratet när den appliceras vid avlindning och passering genom rullar. Den genererade statiska elektriciteten kan lätt adsorbera luft och askskiktet på valsen, vilket resulterar i beläggningsdefekter. Under urladdningsprocessen kan statisk elektricitet också orsaka elektrostatiska defekter på beläggningsytan, och ännu allvarligare, det kan till och med orsaka bränder. Om luftfuktigheten är låg på vintern kommer problemet med statisk elektricitet på beläggningslinjen att bli mer framträdande. Det mest effektiva sättet att minska sådana defekter är att hålla luftfuktigheten så hög som möjligt, jorda beläggningstråden och installera några antistatiska enheter.

Renlighet: Föroreningar på ytan av substratet kan orsaka vissa fysiska defekter, såsom utsprång, smuts etc. Så i produktionsprocessen av substrat är det nödvändigt att kontrollera renheten av råvaror väl. Online membranrengöringsrullar är en relativt effektiv metod för att ta bort substratföroreningar. Även om inte alla föroreningar på membranet kan avlägsnas, kan det effektivt förbättra kvaliteten på råvaror och minska förlusterna.

04

Defektkarta över litiumbatteristolpar

【1】 Bubbeldefekter i den negativa elektrodbeläggningen på litiumjonbatterier

Den negativa elektrodplattan med bubblor i den vänstra bilden och 200x förstoring av svepelektronmikroskopet i den högra bilden. Under processen med blandning, transport och beläggning, blandas damm eller långa flockar och andra främmande föremål in i beläggningslösningen eller faller ned på ytan av den våta beläggningen. Ytspänningen hos beläggningen vid denna punkt påverkas av yttre krafter, vilket orsakar förändringar i intermolekylära krafter, vilket resulterar i mild överföring av slammet. Efter torkning bildas cirkulära märken, med ett tunt centrum.

【2】 Pinhole

En är genereringen av bubblor (omröringsprocess, transportprocess, beläggningsprocess); Pinhole-defekten som orsakas av bubblor är relativt lätt att förstå. Bubblor i den våta filmen migrerar från det inre lagret till filmens yta och spricker på ytan för att bilda en håldefekt. Bubblor kommer huvudsakligen från dålig flytbarhet, dålig utjämning och dålig frisättning av bubblor under blandning, vätsketransport och beläggningsprocesser.

【3】 Repor

Möjliga orsaker: Främmande föremål eller stora partiklar som fastnar i det smala gapet eller beläggningsspalten, dålig substratkvalitet, vilket orsakar att främmande föremål blockerar beläggningsgapet mellan beläggningsvalsen och den bakre rullen, och skada på formläppen.

【4】 Tjock kant

Orsaken till bildandet av tjocka kanter drivs av slammets ytspänning, vilket gör att slammet vandrar mot den obelagda kanten på elektroden och bildar tjocka kanter efter torkning.

【5】 Aggregerade partiklar på den negativa elektrodens yta

Formel: Sfärisk grafit+SUPER C65+CMC+destillerat vatten

Makromorfologi för polarisatorer med två olika omrörningsprocesser: slät yta (vänster) och närvaro av ett stort antal små partiklar på ytan (höger)

Formel: Sfärisk grafit+SUPER C65+CMC/SBR+Destillerat vatten

Förstorad morfologi av små partiklar på ytan av elektroden (a och b): Aggregat av ledande ämnen, inte helt dispergerade.

Förstorad morfologi för polarisatorer med släta ytor: Det ledande medlet är helt dispergerat och jämnt fördelat.

【6】 Agglomererade partiklar på den positiva elektrodens yta

Formel: NCA+acetylensvart+PVDF+NMP

Under blandningsprocessen är luftfuktigheten i omgivningen för hög, vilket gör att uppslamningen blir gelélik, det ledande medlet är inte helt dispergerat och det finns ett stort antal partiklar på polarisatorns yta efter valsning.

【7】 Sprickor i vattensystemets polära plattor

Formel: NMC532/kimrök/bindemedel=90/5/5 viktprocent, vatten/isopropanol (IPA) lösningsmedel

Optiska foton av ytsprickor på polarisatorer, med beläggningstätheter på (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 respektive (d) 25 mg/cm2. Tjocka polarisatorer är mer benägna att spricka.

【8】 Krympning på polarisatorns yta

Formel: flinggrafit+SP+CMC/SBR+destillerat vatten

Närvaron av förorenande partiklar på foliens yta resulterar i en låg ytspänningsarea hos den våta filmen på ytan av partiklarna. Vätskefilmen emitterar och migrerar mot partiklarnas periferi och bildar krymppunktsdefekter.

【9】 Repor på elektrodens yta

Formel: NMC532+SP+PVdF+NMP

Smal sömextruderingsbeläggning, med stora partiklar på skäreggen som orsakar folieläckage och repor på elektrodens yta.

【10】 Belägger vertikala ränder

Formel: NCA+SP+PVdF+NMP

I det senare skedet av överföringsbeläggning ökar slammets vattenabsorptionsviskositet och närmar sig den övre gränsen för beläggningsfönstret under beläggning, vilket resulterar i dålig utjämning av slammet och bildandet av vertikala ränder.

【11】 Rullpressande sprickor i området där polarfilmen inte är helt torkad

Formel: flinggrafit+SP+CMC/SBR+destillerat vatten

Under beläggning är polarisatorns mittområde inte helt torrt, och under valsning migrerar beläggningen och bildar remsformade sprickor.

【12】 Kantrynkor vid polarvalspressning

Fenomenet med tjocka kanter som bildas av beläggning, valspressning och skrynkling av beläggningskanterna

【13】 Negativ elektrodskärande beläggning lossad från folien

Formel: naturlig grafit+acetylensvart+CMC/SBR+destillerat vatten, förhållande mellan aktiv substans 96 %

När polskivan skärs lossnar beläggningen och folien.

【14】 Kantskärande grader

Under skärningen av den positiva elektrodskivan leder instabil spänningskontroll till bildandet av foliegrader vid sekundär skärning.

【15】 Polar skiva skärande vågkant

Under skärningen av den negativa elektrodskivan, på grund av olämplig överlappning och tryck från skärbladen, bildas vågkanter och beläggningsavskiljning av snittet.

【16】 Andra vanliga beläggningsdefekter inkluderar luftinfiltration, sidovågor, hängande, rivul, expansion, vattenskador, etc.

Defekter kan uppstå i alla bearbetningssteg: beläggningsförberedelse, substratframställning, substratdrift, beläggningsområde, torkområde, skärning, skärning, valsningsprocess, etc. Vilken är den generella logiska metoden för att lösa defekter?

1. Under processen från pilotproduktion till produktion är det nödvändigt att optimera produktformeln, beläggningen och torkningsprocessen och hitta ett relativt bra eller brett processfönster.

2. Använd några kvalitetskontrollmetoder och statistiska verktyg (SPC) för att kontrollera produkternas kvalitet. Genom att övervaka och kontrollera den stabila beläggningstjockleken online, eller använda ett visuellt inspektionssystem (Visual System) för att kontrollera om det finns defekter på beläggningsytan.

3. När produktdefekter uppstår, justera processen i tid för att undvika upprepade defekter.

05

Beläggningens enhetlighet

Den så kallade likformigheten hos beläggningen avser konsistensen av fördelningen av beläggningstjocklek eller limmängd inom beläggningsområdet. Ju bättre konsistens beläggningens tjocklek eller limmängd är, desto bättre blir beläggningens enhetlighet och vice versa. Det finns inget enhetligt mätindex för beläggningslikformighet, som kan mätas genom avvikelsen eller procentuell avvikelse av beläggningstjockleken eller limmängden vid varje punkt i ett visst område i förhållande till den genomsnittliga beläggningstjockleken eller limmängden i det området, eller av skillnaden mellan maximal och minsta beläggningstjocklek eller limmängd i ett visst område. Beläggningstjockleken uttrycks vanligtvis i µm.

Beläggningens enhetlighet används för att utvärdera det totala beläggningstillståndet för ett område. Men i själva produktionen bryr vi oss oftast mer om enhetligheten i både horisontell och vertikal riktning av underlaget. Den så kallade horisontella likformigheten avser likformigheten i beläggningens breddriktning (eller maskinens horisontella riktning). Den så kallade longitudinella likformigheten avser likformigheten i riktningen för beläggningslängden (eller substratets rörelseriktning).

Det finns betydande skillnader i storlek, påverkande faktorer och kontrollmetoder för horisontella och vertikala limappliceringsfel. I allmänhet gäller att ju större bredd substratet (eller beläggningen är), desto svårare är det att kontrollera den laterala likformigheten. Baserat på många års praktisk erfarenhet av beläggning online, när substratets bredd är under 800 mm, garanteras vanligtvis lätt likformighet i sidled; När substratets bredd är mellan 1300-1800 mm kan den laterala likformigheten ofta kontrolleras väl, men det finns en viss svårighet och en avsevärd nivå av professionalism krävs; När substratets bredd är över 2000 mm är det mycket svårt att kontrollera sidolikformigheten, och endast ett fåtal tillverkare kan hantera det bra. När produktionssatsen (d.v.s. beläggningslängden) ökar, kan longitudinell enhetlighet bli en större svårighet eller utmaning än tvärgående enhetlighet.