Quản lý chất lượng vật liệu điện cực dương cho pin lithium

Quản lý chất lượng vật liệu điện cực dương cho pin lithium

Hiệu suất của pin lithium-ion có liên quan chặt chẽ đến chất lượng của vật liệu điện cực dương.

Bài viết này giới thiệu một số dạng hỏng hóc của vật liệu điện cực dương có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của pin lithium-ion, chẳng hạn như trộn lẫn với các vật thể lạ bằng kim loại, độ ẩm quá cao và độ đồng nhất của lô kém. Nó làm sáng tỏ tác hại nghiêm trọng mà các dạng hư hỏng này gây ra đối với hiệu suất của pin và giải thích cách tránh những hư hỏng này từ góc độ quản lý chất lượng, mang lại sự đảm bảo chắc chắn để ngăn chặn hơn nữa các vấn đề về chất lượng và cải thiện chất lượng của pin lithium-ion.

Như chúng ta đã biết, vật liệu catốt là một trong những vật liệu cốt lõi chính của pin lithium ion và hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ số hoạt động của pin lithium ion. Hiện nay, các vật liệu cực âm của pin lithium ion được bán trên thị trường bao gồm lithium cobalate, lithium manganate, Lithium iron phosphate, vật liệu ternary và các sản phẩm khác.

So với các nguyên liệu thô khác cho pin lithium-ion, sự đa dạng của vật liệu điện cực dương, quy trình sản xuất cũng phức tạp hơn và nguy cơ hỏng hóc về chất lượng lớn hơn, do đó đòi hỏi yêu cầu quản lý chất lượng cao hơn. Bài viết này thảo luận về các dạng hư hỏng phổ biến và các biện pháp phòng ngừa tương ứng của vật liệu điện cực dương cho pin lithium-ion từ góc độ của người sử dụng vật liệu.

1. Vật lạ bằng kim loại lẫn vào vật liệu điện cực dương

Khi có sắt (Fe), đồng (Cu), crom (Cr), niken (Ni), kẽm (Zn), bạc (Ag) và các tạp chất kim loại khác trong vật liệu catốt, khi điện áp ở giai đoạn hình thành của Pin đạt đến khả năng oxy hóa và khử của các nguyên tố kim loại này, các kim loại này sẽ bị oxy hóa đầu tiên ở cực dương sau đó bị khử về cực âm. Khi các phần tử kim loại ở cực âm tích tụ đến một mức nhất định, các cạnh và góc cứng của kim loại lắng đọng sẽ xuyên qua màng ngăn khiến pin tự phóng điện.

Việc tự phóng điện có thể gây ra tác động nghiêm trọng đến pin lithium-ion, vì vậy điều đặc biệt quan trọng là ngăn chặn sự xâm nhập của các vật thể lạ bằng kim loại từ nguồn.

Có nhiều quy trình sản xuất vật liệu điện cực dương và có nguy cơ các vật thể lạ bằng kim loại được đưa vào trong mỗi bước của quy trình sản xuất. Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về mức độ tự động hóa thiết bị và mức độ quản lý chất lượng tại chỗ của các nhà cung cấp nguyên liệu. Tuy nhiên, các nhà cung cấp nguyên liệu thường có mức độ tự động hóa thiết bị thấp hơn do hạn chế về chi phí, dẫn đến nhiều điểm dừng trong quy trình sản xuất và chế tạo, đồng thời gia tăng rủi ro không thể kiểm soát.

Do đó, để đảm bảo pin hoạt động ổn định và ngăn chặn tình trạng tự phóng điện, các nhà sản xuất pin phải thúc đẩy các nhà cung cấp vật liệu ngăn chặn sự xâm nhập của các vật thể lạ bằng kim loại từ năm khía cạnh: con người, máy móc, vật liệu, phương pháp và môi trường.

Bắt đầu từ việc kiểm soát nhân sự, cấm nhân viên mang vật lạ bằng kim loại vào xưởng, đeo trang sức, mặc quần áo bảo hộ lao động, giày và găng tay khi vào xưởng để tránh tiếp xúc với vật lạ bằng kim loại trước khi tiếp xúc với bột. Thiết lập cơ chế giám sát và kiểm tra, nâng cao nhận thức về chất lượng của nhân viên và khiến họ có ý thức tuân thủ và duy trì môi trường nhà xưởng.

Thiết bị sản xuất là mắt xích chính tạo ra các vật thể lạ, chẳng hạn như rỉ sét và hao mòn vật liệu vốn có trên các bộ phận và dụng cụ của thiết bị tiếp xúc với vật liệu; Các linh kiện, dụng cụ thiết bị không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, bụi bám vào và bay vào vật liệu do luồng không khí trong xưởng sản xuất. Tùy theo mức độ tác động, có thể áp dụng các phương pháp xử lý khác nhau, chẳng hạn như sơn, thay thế bằng lớp phủ vật liệu phi kim loại (nhựa, gốm) và bọc các bộ phận kim loại trần. Người quản lý cũng nên thiết lập các quy tắc và quy định tương ứng để xác định rõ ràng cách quản lý các vật thể lạ bằng kim loại, thiết lập danh sách kiểm tra và yêu cầu nhân viên tiến hành kiểm tra thường xuyên để ngăn ngừa các vấn đề tiềm ẩn.

Nguyên liệu thô là nguồn trực tiếp của các vật lạ kim loại trong vật liệu điện cực dương. Nguyên liệu mua vào phải có quy định về hàm lượng tạp chất kim loại. Sau khi vào nhà máy, cần tiến hành kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo hàm lượng của chúng nằm trong phạm vi quy định. Nếu hàm lượng tạp chất kim loại trong nguyên liệu thô vượt quá tiêu chuẩn thì rất khó để loại bỏ chúng trong các quy trình tiếp theo.

Để loại bỏ các vật lạ bằng kim loại, việc loại bỏ sắt điện từ đã trở thành một quá trình cần thiết trong sản xuất vật liệu điện cực dương. Máy loại bỏ sắt điện từ được sử dụng rộng rãi nhưng thiết bị này không hoạt động trên các chất kim loại không có từ tính như đồng và kẽm. Vì vậy, xưởng nên tránh sử dụng các linh kiện đồng, kẽm. Nếu cần thiết, cũng nên tránh tiếp xúc trực tiếp với bột hoặc tiếp xúc với không khí. Ngoài ra, vị trí lắp đặt, số lần lắp đặt, cài đặt thông số của máy tẩy sắt điện từ cũng có ảnh hưởng nhất định đến hiệu quả tẩy sắt.

Để đảm bảo môi trường nhà xưởng và đạt được áp suất dương trong nhà xưởng cũng cần lắp đặt cửa đôi và cửa tắm gió để ngăn chặn bụi từ bên ngoài xâm nhập vào nhà xưởng và gây ô nhiễm vật liệu. Đồng thời, thiết bị nhà xưởng và kết cấu thép phải tránh rỉ sét, mặt đất cũng cần được sơn và khử từ thường xuyên.

2. Độ ẩm của vật liệu điện cực dương vượt quá tiêu chuẩn

Vật liệu làm điện cực dương chủ yếu là các hạt có kích thước micron hoặc micron, dễ hấp thụ độ ẩm từ không khí, đặc biệt là vật liệu 3 ngôi có hàm lượng Ni cao. Khi chuẩn bị miếng dán điện cực dương, nếu vật liệu điện cực dương có hàm lượng nước cao thì độ hòa tan của PVDF sẽ giảm sau khi NMP hấp thụ nước trong quá trình trộn bùn, điều này sẽ khiến gel dán trở thành thạch, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý. Sau khi chế tạo pin, dung lượng, điện trở trong, sự tuần hoàn và độ phóng đại của pin sẽ bị ảnh hưởng, do đó, độ ẩm của vật liệu điện cực dương, giống như các vật thể lạ bằng kim loại, phải là một dự án kiểm soát quan trọng.

Mức độ tự động hóa của thiết bị dây chuyền sản xuất càng cao thì thời gian tiếp xúc của bột trong không khí càng ngắn và lượng nước đưa vào càng ít. Thúc đẩy các nhà cung cấp vật liệu cải thiện tự động hóa thiết bị, chẳng hạn như đạt được vận chuyển đường ống đầy đủ, giám sát điểm sương trong đường ống và lắp đặt cánh tay robot để đạt được khả năng tải và dỡ hàng tự động, góp phần rất lớn vào việc ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm. Tuy nhiên, một số nhà cung cấp nguyên liệu bị hạn chế bởi thiết kế nhà xưởng hoặc áp lực chi phí, khi khả năng tự động hóa thiết bị chưa cao và có nhiều điểm dừng trong quá trình sản xuất thì cần phải kiểm soát chặt chẽ thời gian tiếp xúc của bột. Tốt nhất nên sử dụng thùng chứa đầy nitơ đựng bột trong quá trình vận chuyển.
Nhiệt độ, độ ẩm của xưởng sản xuất cũng là một chỉ số kiểm soát quan trọng, về mặt lý thuyết, điểm sương càng thấp thì càng thuận lợi. Hầu hết các nhà cung cấp nguyên liệu đều chú trọng đến việc kiểm soát độ ẩm sau quá trình thiêu kết. Họ tin rằng nhiệt độ thiêu kết khoảng 1000 độ C có thể loại bỏ phần lớn độ ẩm trong bột. Miễn là việc đưa độ ẩm từ quá trình thiêu kết đến giai đoạn đóng gói được kiểm soát chặt chẽ, về cơ bản có thể đảm bảo rằng độ ẩm của vật liệu không vượt quá tiêu chuẩn.

Tất nhiên, điều này không có nghĩa là không cần kiểm soát độ ẩm trước quá trình thiêu kết, bởi vì nếu đưa quá nhiều độ ẩm vào quá trình trước đó, hiệu quả thiêu kết và cấu trúc vi mô của vật liệu sẽ bị ảnh hưởng. Ngoài ra, cách thức đóng gói cũng rất quan trọng. Hầu hết các nhà cung cấp nguyên liệu đều sử dụng túi nhựa nhôm để đóng gói chân không, đây được coi là phương pháp tiết kiệm và hiệu quả nhất hiện nay.

Tất nhiên, các thiết kế vật liệu khác nhau cũng có thể có sự khác biệt đáng kể về khả năng hấp thụ nước, chẳng hạn như sự khác biệt về vật liệu phủ và diện tích bề mặt riêng, có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nước của chúng. Mặc dù một số nhà cung cấp vật liệu ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm trong quá trình sản xuất, nhưng bản thân vật liệu này có đặc điểm là dễ hút nước nên rất khó làm khô hơi ẩm sau khi chế tạo thành các tấm điện cực, gây rắc rối cho các nhà sản xuất pin. Vì vậy, khi phát triển vật liệu mới cần chú ý đến vấn đề hút nước và phát triển vật liệu có tính phổ biến cao hơn, mang lại lợi ích lớn cho cả cung và cầu.

3. 3 vật liệu điện cực dương có độ đồng đều kém

Đối với các nhà sản xuất pin, sự khác biệt càng nhỏ và độ đồng nhất giữa các lô vật liệu điện cực dương càng tốt thì hiệu suất của pin thành phẩm càng ổn định. Như chúng ta đã biết, một trong những nhược điểm chính của vật liệu catốt lithium sắt photphat là độ ổn định lô kém. Trong quá trình nghiền, độ nhớt và hàm lượng chất rắn trong từng mẻ bùn không ổn định do biến động mẻ lớn, gây khó khăn cho người sử dụng và cần phải điều chỉnh quy trình liên tục để thích ứng.

Cải thiện mức độ tự động hóa của thiết bị sản xuất là phương tiện chính để cải thiện độ ổn định hàng loạt của vật liệu Lithium sắt photphat. Tuy nhiên, hiện nay, mức độ tự động hóa thiết bị của các nhà cung cấp nguyên liệu Lithium sắt photphat trong nước nhìn chung còn thấp, trình độ kỹ thuật và khả năng quản lý chất lượng chưa cao, nguyên liệu được cung cấp có vấn đề mất ổn định hàng loạt ở các mức độ khác nhau. Từ góc độ người dùng, nếu không thể loại bỏ sự khác biệt giữa các lô, chúng tôi hy vọng rằng trọng lượng của một lô càng lớn thì càng tốt, miễn là các nguyên liệu trong cùng một lô phải đồng nhất và ổn định.

Vì vậy, để đáp ứng yêu cầu này, các nhà cung cấp vật liệu sắt lithium thường bổ sung thêm một quy trình trộn sau khi tạo ra thành phẩm, đó là trộn đều nhiều mẻ nguyên liệu. Thể tích của ấm trộn càng lớn thì chứa càng nhiều nguyên liệu và lượng mẻ trộn càng lớn.

Kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, độ ẩm, giá trị pH và các chỉ số khác của vật liệu sắt lithium có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của bùn được tạo ra. Tuy nhiên, các chỉ tiêu này thường được kiểm soát chặt chẽ trong một phạm vi nhất định và vẫn có thể có sự khác biệt đáng kể về độ nhớt giữa các mẻ bùn. Để tránh những bất thường trong quá trình sử dụng hàng loạt, thường phải mô phỏng công thức sản xuất và chuẩn bị trước một số phép thử độ nhớt của bùn trước khi đưa vào sử dụng và chỉ sau khi đáp ứng đủ yêu cầu mới được đưa vào sử dụng, nhưng nếu nhà sản xuất pin tiến hành Việc kiểm tra trước mỗi lần sản xuất sẽ làm giảm hiệu quả sản xuất rất nhiều nên họ sẽ chuyển công việc này cho nhà cung cấp nguyên liệu và yêu cầu nhà cung cấp nguyên liệu hoàn thành việc kiểm tra và đáp ứng yêu cầu trước khi vận chuyển.

Tất nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ và sự cải thiện năng lực xử lý của nhà cung cấp nguyên liệu, sự phân tán các tính chất vật lý ngày càng nhỏ hơn và có thể bỏ qua bước kiểm tra độ nhớt trước khi vận chuyển. Ngoài các biện pháp nêu trên để cải thiện tính nhất quán, chúng ta cũng nên sử dụng các công cụ chất lượng để giảm thiểu sự mất ổn định của lô và ngăn ngừa các vấn đề về chất lượng xảy ra. Chủ yếu bắt đầu từ các khía cạnh sau.

(1) Thiết lập quy trình vận hành.

Chất lượng vốn có của một sản phẩm được thiết kế và sản xuất. Do đó, cách thức vận hành của người vận hành là đặc biệt quan trọng để kiểm soát chất lượng sản phẩm và cần thiết lập các tiêu chuẩn vận hành chi tiết và cụ thể.

(2) Xác định CTQ.

Xác định các chỉ số và quy trình chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, giám sát các chỉ số kiểm soát chính này và phát triển các biện pháp ứng phó khẩn cấp tương ứng. Tuyến đường sắt axit orthophosphoric là phương pháp chủ đạo trong quá trình điều chế lithium sắt photphat hiện nay. Các quy trình của nó bao gồm trộn, nghiền bi, thiêu kết, nghiền, đóng gói, v.v. Quá trình nghiền bi phải được quản lý như một quy trình quan trọng, bởi vì nếu độ đặc của kích thước hạt sơ cấp sau khi nghiền bi không được kiểm soát tốt thì độ đặc của hạt kích thước của thành phẩm sẽ bị ảnh hưởng, điều này sẽ ảnh hưởng đến tính nhất quán của lô nguyên liệu.

(3) Việc sử dụng SPC.

Tiến hành giám sát thời gian thực SPC các thông số đặc tính chính của các quy trình chính, phân tích các điểm bất thường, xác định nguyên nhân gây mất ổn định, thực hiện các biện pháp khắc phục và phòng ngừa hiệu quả, đồng thời tránh các sản phẩm bị lỗi được chuyển đến khách hàng.

4. Các tình huống bất lợi khác

Khi tạo bùn, vật liệu điện cực dương được trộn đều với dung môi, chất kết dính và chất dẫn điện theo một tỷ lệ nhất định trong bể bùn, sau đó thải ra qua đường ống. Một màn lọc được lắp đặt ở đầu ra để chặn các hạt lớn và vật lạ trong vật liệu điện cực dương và đảm bảo chất lượng lớp phủ. Nếu vật liệu điện cực dương chứa các hạt lớn sẽ gây tắc nghẽn màn lọc. Nếu thành phần của các hạt lớn vẫn là vật liệu điện cực dương, nó sẽ chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất và không ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, đồng thời những tổn thất như vậy có thể giảm bớt. Nhưng nếu thành phần của những hạt lớn này không chắc chắn và chúng là những vật thể lạ bằng kim loại khác, thì hỗn hợp bùn đã tạo ra sẽ bị loại bỏ hoàn toàn, dẫn đến tổn thất rất lớn.

Sự xuất hiện của sự bất thường này có thể là do các vấn đề quản lý chất lượng nội bộ của nhà cung cấp nguyên liệu. Hầu hết các vật liệu điện cực dương đều được sản xuất thông qua quá trình sàng lọc, xem màn hình có bị hỏng hay không, được kiểm tra và thay thế kịp thời. Nếu màn hình bị hỏng, không có biện pháp chống rò rỉ và việc phát hiện các hạt lớn trong quá trình kiểm tra tại nhà máy hay không vẫn cần được cải thiện.