Quá trình phủ và khuyết tật của pin lithium

Quá trình phủ và khuyết tật của pin lithium

01

Ảnh hưởng của quá trình phủ đến hiệu suất của pin lithium

Lớp phủ phân cực thường đề cập đến một quá trình phủ đều bùn đã khuấy lên bộ thu dòng điện và làm khô dung môi hữu cơ trong bùn. Hiệu ứng lớp phủ có tác động đáng kể đến dung lượng pin, điện trở trong, tuổi thọ và độ an toàn, đảm bảo lớp phủ đều của điện cực. Việc lựa chọn phương pháp phủ và thông số điều khiển có tác động đáng kể đến hiệu suất của pin lithium-ion, chủ yếu thể hiện ở:

1) Kiểm soát nhiệt độ sấy cho lớp phủ: Nếu nhiệt độ sấy quá thấp trong quá trình phủ thì không thể đảm bảo điện cực khô hoàn toàn. Nếu nhiệt độ quá cao có thể do dung môi hữu cơ bên trong điện cực bay hơi nhanh dẫn đến nứt, bong tróc và các hiện tượng khác trên lớp phủ bề mặt của điện cực;

2) Mật độ bề mặt lớp phủ: Nếu mật độ bề mặt lớp phủ quá nhỏ, dung lượng pin có thể không đạt được dung lượng danh nghĩa. Nếu mật độ bề mặt lớp phủ quá cao sẽ dễ gây lãng phí nguyên liệu. Trong trường hợp nghiêm trọng, nếu dung lượng điện cực dương quá lớn, các sợi nhánh lithium sẽ hình thành do kết tủa lithium, xuyên qua dải phân cách pin và gây đoản mạch, gây nguy hiểm cho an toàn;

3) Kích thước lớp phủ: Nếu kích thước lớp phủ quá nhỏ hoặc quá lớn, có thể khiến điện cực dương bên trong pin không được điện cực âm bao phủ hoàn toàn. Trong quá trình sạc, các ion lithium được nhúng từ điện cực dương và di chuyển vào chất điện phân không được điện cực âm bao phủ hoàn toàn. Công suất thực tế của điện cực dương không thể được sử dụng một cách hiệu quả. Trong trường hợp nghiêm trọng, sợi nhánh lithium có thể hình thành bên trong pin, dễ dàng làm thủng dải phân cách và gây hư hỏng mạch bên trong;

4) Độ dày lớp phủ: Nếu độ dày lớp phủ quá mỏng hoặc quá dày sẽ ảnh hưởng đến quá trình cán điện cực tiếp theo và không thể đảm bảo tính nhất quán của hiệu suất điện cực của pin.

Ngoài ra, lớp phủ điện cực có ý nghĩa rất lớn đối với sự an toàn của pin. Trước khi phủ, phải thực hiện công việc 5S để đảm bảo không có hạt, mảnh vụn, bụi, v.v. nào trộn vào điện cực trong quá trình phủ. Nếu có bất kỳ mảnh vụn nào lọt vào sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch vi mô bên trong pin, trường hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến cháy nổ.

02

Lựa chọn thiết bị phủ và quy trình phủ

Quá trình phủ chung bao gồm: tháo cuộn → nối → kéo → kiểm soát độ căng → lớp phủ → sấy khô → hiệu chỉnh → kiểm soát độ căng → hiệu chỉnh → cuộn dây và các quy trình khác. Quá trình phủ rất phức tạp và cũng có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của lớp phủ, chẳng hạn như độ chính xác sản xuất của thiết bị phủ, độ trơn tru khi vận hành thiết bị, kiểm soát lực căng động trong quá trình phủ, kích thước của luồng không khí trong quá trình phủ. quá trình sấy và đường cong kiểm soát nhiệt độ. Vì vậy, việc lựa chọn quy trình sơn phủ phù hợp là vô cùng quan trọng.

Việc lựa chọn chung phương pháp phủ cần xem xét các khía cạnh sau, bao gồm: số lớp cần phủ, độ dày của lớp phủ ướt, tính chất lưu biến của chất lỏng phủ, độ chính xác của lớp phủ cần thiết, chất hỗ trợ hoặc chất nền của lớp phủ, và tốc độ phủ.

Ngoài các yếu tố trên, cũng cần xem xét tình hình và đặc điểm cụ thể của lớp phủ điện cực. Đặc điểm của lớp phủ điện cực pin lithium-ion là: ① lớp phủ một lớp hai mặt; ② Lớp phủ ướt của bùn tương đối dày (100-300 μm) ③ Bùn là chất lỏng có độ nhớt cao phi Newton; ④ Yêu cầu độ chính xác của lớp phủ màng cực cao, tương tự như lớp phủ màng; ⑤ Thân đỡ lớp phủ có độ dày 10-20 μ Lá nhôm và lá đồng m; ⑥ So với tốc độ phủ màng, tốc độ phủ màng cực không cao. Có tính đến các yếu tố trên, thiết bị phòng thí nghiệm nói chung thường sử dụng loại máy cạo, pin lithium-ion tiêu dùng thường sử dụng loại chuyển lớp phủ con lăn và pin điện thường sử dụng phương pháp ép đùn khe hẹp.

Lớp phủ cạp: Nguyên lý làm việc được thể hiện trên Hình 1. Chất nền lá đi qua con lăn phủ và tiếp xúc trực tiếp với bể chứa bùn. Bùn dư thừa được áp dụng cho chất nền giấy bạc. Khi lớp nền đi qua giữa con lăn phủ và dụng cụ cạo, khoảng cách giữa dụng cụ cạo và lớp nền sẽ xác định độ dày lớp phủ. Đồng thời, bùn thừa được loại bỏ và hồi lưu, tạo thành một lớp phủ đồng nhất trên bề mặt chất nền. Các loại máy cạo chính là máy cạo dấu phẩy. Máy cạo dấu phẩy là một trong những thành phần chính trong đầu phủ. Nó thường được gia công dọc theo đường sinh trên bề mặt của con lăn tròn để tạo thành một lưỡi dao giống như dấu phẩy. Loại máy cạo này có độ bền và độ cứng cao, dễ kiểm soát lượng lớp phủ và độ chính xác, phù hợp với hàm lượng chất rắn cao và độ nhớt cao.

Loại chuyển lớp phủ con lăn: Con lăn lớp phủ quay để dẫn động bùn, điều chỉnh lượng chuyển bùn qua khe hở giữa dao cạo dấu phẩy và sử dụng chuyển động quay của con lăn phía sau và con lăn phủ để chuyển bùn vào bề mặt. Quá trình này được thể hiện trong Hình 2. Lớp phủ chuyển lớp phủ bằng con lăn bao gồm hai quá trình cơ bản: (1) Chuyển động quay của con lăn phủ khiến bùn đi qua khe hở giữa các con lăn đo, tạo thành độ dày nhất định của lớp vữa; (2) Một độ dày nhất định của lớp bùn được chuyển sang giấy bạc bằng cách xoay con lăn phủ và con lăn phía sau theo hướng ngược nhau để tạo thành lớp phủ.

Lớp phủ ép đùn khe hẹp: Là một công nghệ phủ ướt chính xác, như trong Hình 3, nguyên lý làm việc là chất lỏng phủ được ép đùn và phun dọc theo các khe hở của khuôn phủ dưới một áp suất và tốc độ dòng chảy nhất định, và chuyển đến bề mặt . So với các phương pháp phủ khác, nó có nhiều ưu điểm như tốc độ phủ nhanh, độ chính xác cao và độ dày ướt đồng đều; Hệ thống lớp phủ được bao bọc, có thể ngăn chặn các chất ô nhiễm xâm nhập trong quá trình phủ. Tỷ lệ sử dụng bùn cao và tính chất bùn ổn định. Nó có thể được phủ nhiều lớp cùng một lúc. Và nó có thể thích ứng với các phạm vi độ nhớt và hàm lượng chất rắn khác nhau, đồng thời có khả năng thích ứng mạnh hơn so với công nghệ phủ chuyển.

03

Khuyết tật lớp phủ và các yếu tố ảnh hưởng

Giảm khuyết tật lớp phủ, cải thiện chất lượng và năng suất lớp phủ, đồng thời giảm chi phí trong quá trình phủ là những khía cạnh quan trọng cần được nghiên cứu trong quá trình phủ. Các vấn đề thường gặp trong quá trình phủ là đầu dày và đuôi mỏng, mép dày ở cả hai bên, đốm đen, bề mặt gồ ghề, lá mỏng lộ ra ngoài và các khuyết tật khác. Độ dày của đầu và đuôi có thể được điều chỉnh bằng thời gian đóng mở của van phủ hoặc van ngắt quãng. Vấn đề về các cạnh dày có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh các đặc tính của bùn, khe hở lớp phủ, tốc độ dòng chảy của bùn, v.v. Độ nhám bề mặt, không đồng đều và sọc có thể được cải thiện bằng cách ổn định giấy bạc, giảm tốc độ, điều chỉnh góc của không khí dao, v.v.

Chất nền - Bùn

Mối quan hệ giữa các tính chất vật lý cơ bản của bùn và lớp phủ: Trong quá trình thực tế, độ nhớt của bùn có tác động nhất định đến hiệu quả của lớp phủ. Độ nhớt của bùn được chuẩn bị thay đổi tùy thuộc vào nguyên liệu thô của điện cực, tỷ lệ bùn và loại chất kết dính được chọn. Khi độ nhớt của bùn quá cao, lớp phủ thường không thể được thực hiện liên tục và ổn định, hiệu quả của lớp phủ cũng bị ảnh hưởng.

Tính đồng nhất, độ ổn định, hiệu ứng cạnh và bề mặt của dung dịch phủ bị ảnh hưởng bởi tính chất lưu biến của dung dịch phủ, yếu tố này quyết định trực tiếp đến chất lượng của lớp phủ. Phân tích lý thuyết, kỹ thuật thí nghiệm lớp phủ, kỹ thuật phần tử hữu hạn động lực học chất lỏng và các phương pháp nghiên cứu khác có thể được sử dụng để nghiên cứu cửa sổ lớp phủ, đây là phạm vi hoạt động của quy trình để lớp phủ ổn định và thu được lớp phủ đồng nhất.

Chất nền - Lá đồng và lá nhôm

Sức căng bề mặt: Sức căng bề mặt của lá nhôm đồng phải cao hơn sức căng bề mặt của dung dịch phủ, nếu không dung dịch sẽ khó trải phẳng trên bề mặt dẫn đến chất lượng lớp phủ kém. Một nguyên tắc cần tuân theo là sức căng bề mặt của dung dịch được phủ phải thấp hơn sức căng bề mặt của chất nền là 5 dynes/cm, mặc dù đây chỉ là ước tính sơ bộ. Sức căng bề mặt của dung dịch và chất nền có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh công thức hoặc cách xử lý bề mặt của chất nền. Việc đo sức căng bề mặt giữa hai vật cũng phải được coi là một hạng mục kiểm tra kiểm soát chất lượng.

Độ dày đồng đều: Trong một quy trình tương tự như lớp phủ bằng máy cạo, độ dày không đồng đều của bề mặt ngang của chất nền có thể dẫn đến độ dày lớp phủ không đồng đều. Bởi vì trong quá trình phủ, độ dày lớp phủ được kiểm soát bởi khe hở giữa lưỡi cạo và lớp nền. Nếu bề mặt có độ dày theo chiều ngang thấp hơn thì sẽ có nhiều dung dịch đi qua khu vực đó hơn, độ dày lớp phủ cũng sẽ dày hơn và ngược lại. Nếu có thể nhìn thấy sự dao động độ dày của lớp nền từ máy đo độ dày thì sự dao động độ dày màng cuối cùng cũng sẽ cho thấy độ lệch tương tự. Ngoài ra, độ dày ngang cũng có thể dẫn đến khuyết tật trong cuộn dây. Vì vậy, để tránh những khuyết tật đó, điều quan trọng là phải kiểm soát độ dày của nguyên liệu thô.

Tĩnh điện: Trên dây chuyền sơn, rất nhiều tĩnh điện được tạo ra trên bề mặt lớp nền khi tác dụng lên cuộn và đi qua các con lăn. Tĩnh điện được tạo ra có thể dễ dàng hấp thụ không khí và lớp tro trên con lăn, dẫn đến các khuyết tật về lớp phủ. Trong quá trình phóng điện, tĩnh điện cũng có thể gây ra các khuyết tật về hình thức tĩnh điện trên bề mặt lớp phủ, nghiêm trọng hơn thậm chí có thể gây ra hỏa hoạn. Nếu độ ẩm thấp vào mùa đông thì vấn đề tĩnh điện trên dây chuyền sơn sẽ càng nổi bật hơn. Cách hiệu quả nhất để giảm thiểu những khuyết tật đó là giữ độ ẩm môi trường càng cao càng tốt, nối đất dây phủ và lắp đặt một số thiết bị chống tĩnh điện.

Độ sạch: Các tạp chất trên bề mặt lớp nền có thể gây ra một số khuyết tật vật lý như lồi lõm, bụi bẩn,… Vì vậy trong quá trình sản xuất lớp nền cần kiểm soát tốt độ sạch của nguyên liệu thô. Con lăn làm sạch màng trực tuyến là một phương pháp tương đối hiệu quả để loại bỏ tạp chất trên bề mặt. Mặc dù không thể loại bỏ tất cả các tạp chất trên màng nhưng nó có thể cải thiện hiệu quả chất lượng nguyên liệu thô và giảm thất thoát.

04

Bản đồ khiếm khuyết của cực pin lithium

[1] Lỗi bong bóng trong lớp phủ điện cực âm của pin lithium-ion

Tấm điện cực âm có bong bóng ở ảnh bên trái và độ phóng đại 200 lần của kính hiển vi điện tử quét ở ảnh bên phải. Trong quá trình trộn, vận chuyển và phủ, bụi hoặc các hạt cặn dài và các vật lạ khác trộn lẫn vào dung dịch phủ hoặc rơi xuống bề mặt của lớp phủ ướt. Sức căng bề mặt của lớp phủ tại thời điểm này bị ảnh hưởng bởi ngoại lực, gây ra sự thay đổi lực liên phân tử, dẫn đến sự chuyển dịch nhẹ của bùn. Sau khi sấy khô, hình thành các vết tròn, có tâm mỏng.

[2] Lỗ kim

Một là tạo bọt (quá trình khuấy, quá trình vận chuyển, quá trình phủ); Khiếm khuyết lỗ kim do bong bóng gây ra tương đối dễ hiểu. Các bong bóng trong màng ướt di chuyển từ lớp bên trong lên bề mặt màng và vỡ ra trên bề mặt tạo thành khuyết tật lỗ kim. Bong bóng chủ yếu đến từ tính lưu động kém, độ phẳng kém và khả năng giải phóng bong bóng kém trong quá trình trộn, vận chuyển chất lỏng và quá trình phủ.

[3] Vết xước

Nguyên nhân có thể: Các vật lạ hoặc các hạt lớn bị kẹt trong khe hẹp hoặc khe hở lớp phủ, chất lượng bề mặt kém khiến các vật lạ chặn khe hở lớp phủ giữa con lăn phủ và con lăn phía sau, đồng thời làm hỏng mép khuôn.

[4] Cạnh dày

Nguyên nhân hình thành các cạnh dày là do sức căng bề mặt của bùn, khiến cho bùn di chuyển về phía cạnh không được phủ của điện cực, tạo thành các cạnh dày sau khi sấy khô.

[5] Các hạt kết tụ trên bề mặt điện cực âm

Công thức: Than chì hình cầu+SUPER C65+CMC+nước cất

Hình thái vĩ mô của các bản phân cực với hai quá trình khuấy trộn khác nhau: bề mặt nhẵn (trái) và sự hiện diện của một số lượng lớn các hạt nhỏ trên bề mặt (phải)

Công thức: Than chì hình cầu+SUPER C65+CMC/SBR+Nước cất

Hình thái phóng to của các hạt nhỏ trên bề mặt điện cực (a và b): Tập hợp các chất dẫn điện, không phân tán hoàn toàn.

Hình thái mở rộng của các bản phân cực bề mặt nhẵn: Chất dẫn điện được phân tán hoàn toàn và phân bố đều.

[6] Các hạt kết tụ trên bề mặt điện cực dương

Công thức: NCA+axetylen đen+PVDF+NMP

Trong quá trình trộn, độ ẩm môi trường quá cao khiến bùn trở nên giống như thạch, chất dẫn điện không phân tán hoàn toàn và có một số lượng lớn các hạt trên bề mặt của máy phân cực sau khi lăn.

[7] Vết nứt trên tấm cực của hệ thống nước

Công thức: NMC532/carbon đen/chất kết dính=90/5/5 wt%, dung môi nước/isopropanol (IPA)

Ảnh quang học về các vết nứt bề mặt trên bản phân cực, với mật độ lớp phủ lần lượt là (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 và (d) 25 mg/cm2. Bản phân cực dày dễ bị nứt hơn.

[8] Độ co rút trên bề mặt của bản phân cực

Công thức: than chì vảy + SP + CMC / SBR + nước cất

Sự hiện diện của các hạt ô nhiễm trên bề mặt của giấy bạc dẫn đến diện tích sức căng bề mặt thấp của màng ướt trên bề mặt của các hạt. Màng chất lỏng phát ra và di chuyển về phía ngoại vi của các hạt, tạo thành các khuyết điểm co ngót.

[9] Vết xước trên bề mặt điện cực

Công thức: NMC532+SP+PVdF+NMP

Lớp phủ đùn có đường may hẹp, có các hạt lớn ở mép cắt gây rò rỉ giấy bạc và trầy xước trên bề mặt điện cực.

[10] Sơn phủ sọc dọc

Công thức: NCA+SP+PVdF+NMP

Trong giai đoạn sau của lớp phủ chuyển giao, độ nhớt hấp thụ nước của bùn tăng lên, đạt đến giới hạn trên của cửa sổ lớp phủ trong quá trình phủ, dẫn đến độ phẳng của bùn kém và hình thành các sọc dọc.

[11] Ép cuộn có vết nứt ở vùng màng cực chưa khô hoàn toàn

Công thức: than chì vảy + SP + CMC / SBR + nước cất

Trong quá trình phủ, khu vực giữa của bản phân cực không khô hoàn toàn và trong quá trình lăn, lớp phủ di chuyển, tạo thành các vết nứt hình dải.

[12] Nếp nhăn ở mép ép con lăn cực

Hiện tượng mép sơn dày hình thành do sơn, ép lăn, mép sơn bị nhăn

[13] Lớp phủ cắt điện cực âm tách ra khỏi giấy bạc

Công thức: than chì tự nhiên + đen axetylen + CMC / SBR + nước cất, tỷ lệ hoạt chất 96%

Khi đĩa cực bị cắt, lớp phủ và giấy bạc sẽ bong ra.

[14] Mũi khoan cắt cạnh

Trong quá trình cắt đĩa điện cực dương, việc kiểm soát lực căng không ổn định dẫn đến hình thành các vệt lá trong quá trình cắt thứ cấp.

[15] Cạnh sóng cắt lát cực

Trong quá trình cắt đĩa điện cực âm, do sự chồng lên nhau và áp lực của lưỡi cắt không phù hợp, hình thành các mép sóng và lớp phủ bong ra của vết mổ.

[16] Các khuyết tật phổ biến khác của lớp phủ bao gồm thấm không khí, sóng bên, võng, Rãnh, giãn nở, hư hỏng do nước, v.v.

Các khuyết tật có thể xảy ra ở bất kỳ giai đoạn xử lý nào: chuẩn bị lớp phủ, sản xuất chất nền, vận hành chất nền, khu vực phủ, khu vực sấy khô, cắt, rạch, quá trình cán, v.v. Phương pháp logic chung để giải quyết các khuyết tật là gì?

1. Trong quá trình từ sản xuất thử nghiệm đến sản xuất, cần tối ưu hóa công thức sản phẩm, quy trình phủ và sấy khô, đồng thời tìm ra khung quy trình tương đối tốt hoặc rộng.

2. Sử dụng một số phương pháp kiểm soát chất lượng và công cụ thống kê (SPC) để kiểm soát chất lượng sản phẩm. Bằng cách theo dõi và kiểm soát độ dày lớp phủ ổn định trực tuyến hoặc sử dụng hệ thống kiểm tra trực quan (Visual System) để kiểm tra các khuyết tật trên bề mặt lớp phủ.

3. Khi sản phẩm xảy ra lỗi, hãy điều chỉnh quy trình kịp thời để tránh lỗi lặp lại.

05

Tính đồng nhất của lớp phủ

Cái gọi là tính đồng nhất của lớp phủ đề cập đến tính nhất quán của sự phân bố độ dày lớp phủ hoặc lượng chất kết dính trong khu vực lớp phủ. Độ đồng nhất của độ dày lớp phủ hoặc lượng chất kết dính càng tốt thì độ đồng đều của lớp phủ càng tốt và ngược lại. Không có chỉ số đo lường thống nhất về độ đồng đều của lớp phủ, chỉ số này có thể được đo bằng độ lệch hoặc phần trăm độ lệch của độ dày lớp phủ hoặc lượng chất kết dính tại mỗi điểm trong một khu vực nhất định so với độ dày lớp phủ hoặc lượng chất kết dính trung bình ở khu vực đó hoặc bằng chênh lệch giữa độ dày lớp phủ tối đa và tối thiểu hoặc lượng chất kết dính ở một khu vực nhất định. Độ dày lớp phủ thường được biểu thị bằng µm.

Tính đồng nhất của lớp phủ được sử dụng để đánh giá tình trạng lớp phủ tổng thể của một khu vực. Nhưng trong thực tế sản xuất, chúng ta thường quan tâm nhiều hơn đến tính đồng nhất theo cả chiều ngang và chiều dọc của chất nền. Cái gọi là tính đồng nhất theo chiều ngang đề cập đến tính đồng nhất của hướng chiều rộng lớp phủ (hoặc hướng ngang của máy). Cái gọi là tính đồng nhất theo chiều dọc đề cập đến tính đồng nhất theo hướng chiều dài lớp phủ (hoặc hướng di chuyển của chất nền).

Có sự khác biệt đáng kể về kích thước, các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát lỗi ứng dụng keo ngang và dọc. Nói chung, chiều rộng của chất nền (hoặc lớp phủ) càng lớn thì càng khó kiểm soát độ đồng đều của các mặt. Dựa trên nhiều năm kinh nghiệm thực tế trong việc phủ trực tuyến, khi chiều rộng bề mặt dưới 800mm, độ đồng đều các bên thường được đảm bảo dễ dàng; Khi chiều rộng của lớp nền nằm trong khoảng 1300-1800mm, độ đồng đều các bên thường có thể được kiểm soát tốt, nhưng có một khó khăn nhất định và cần phải có mức độ chuyên nghiệp đáng kể; Khi chiều rộng nền trên 2000mm, việc kiểm soát độ đồng đều bên là rất khó và chỉ một số nhà sản xuất có thể xử lý tốt. Khi lô sản xuất (tức là chiều dài lớp phủ) tăng lên, độ đồng đều theo chiều dọc có thể trở thành khó khăn hoặc thách thức lớn hơn độ đồng đều theo chiều ngang.