Gestão de qualidade de materiais de eletrodos positivos para baterias de lítio

Gestão de qualidade de materiais de eletrodos positivos para baterias de lítio

O desempenho das baterias de íon-lítio está intimamente relacionado à qualidade dos materiais dos eletrodos positivos.

Este artigo apresenta várias formas de falha de materiais de eletrodos positivos que têm um impacto significativo no desempenho de baterias de íons de lítio, como mistura com objetos estranhos de metal, umidade excessiva e baixa consistência do lote. Ele elucida os sérios danos que essas formas de falha causam ao desempenho da bateria e explica como evitá-las do ponto de vista do gerenciamento de qualidade, fornecendo garantias sólidas para prevenir ainda mais problemas de qualidade e melhorar a qualidade das baterias de íon-lítio.

Como todos sabemos, o material do cátodo é um dos principais materiais do núcleo das baterias de íon de lítio e seu desempenho afeta diretamente os indicadores de desempenho das baterias de íon de lítio. Atualmente, os materiais catódicos comercializados para baterias de íon de lítio incluem cobalato de lítio, manganato de lítio, fosfato de ferro-lítio, materiais ternários e outros produtos.

Em comparação com outras matérias-primas para baterias de iões de lítio, a variedade de materiais de eléctrodos positivos é mais diversificada, o processo de produção também é mais complexo e o risco de falha de qualidade é maior, exigindo assim requisitos de gestão de qualidade mais elevados. Este artigo discute as formas comuns de falha e as medidas preventivas correspondentes de materiais de eletrodos positivos para baterias de íon-lítio, da perspectiva dos usuários do material.

1. Objetos estranhos de metal misturados no material do eletrodo positivo

Quando há ferro (Fe), cobre (Cu), cromo (Cr), níquel (Ni), zinco (Zn), prata (Ag) e outras impurezas metálicas no material do cátodo, quando a tensão no estágio de formação do bateria atinge o potencial de oxidação e redução desses elementos metálicos, esses metais serão oxidados primeiro no pólo positivo e depois reduzidos ao pólo negativo. Quando os elementos metálicos no pólo negativo se acumulam até certo ponto, as arestas e cantos duros do metal depositado perfurarão o diafragma, causando a autodescarga da bateria.

A autodescarga pode ter um impacto fatal nas baterias de íons de lítio, por isso é particularmente importante evitar a introdução de objetos metálicos estranhos da fonte.

Existem muitos processos de produção para materiais de eletrodos positivos e existe o risco de objetos estranhos metálicos serem introduzidos em cada etapa do processo de fabricação. Isto impõe requisitos mais elevados para o nível de automação dos equipamentos e para o nível de gestão da qualidade no local dos fornecedores de materiais. No entanto, os fornecedores de materiais têm frequentemente níveis mais baixos de automação de equipamentos devido a restrições de custos, resultando em mais pontos de interrupção nos processos de produção e fabrico, e num aumento de riscos incontroláveis.

Portanto, a fim de garantir o desempenho estável da bateria e evitar a autodescarga, os fabricantes de baterias devem promover fornecedores de materiais para evitar a introdução de objetos estranhos metálicos de cinco aspectos: humano, máquina, material, método e meio ambiente.

A partir do controle de pessoal, os funcionários devem ser proibidos de transportar objetos estranhos metálicos para a oficina, usar joias e usar roupas de trabalho, sapatos e luvas ao entrar na oficina para evitar o contato com objetos estranhos metálicos antes de entrar em contato com o pó. Estabelecer um mecanismo de supervisão e inspeção, cultivar a consciência de qualidade dos funcionários e fazer com que cumpram e mantenham conscientemente o ambiente da oficina.

Os equipamentos de produção são o principal elo para a introdução de objetos estranhos, como ferrugem e desgaste inerente aos materiais dos componentes dos equipamentos e ferramentas que entram em contato com os materiais; Componentes do equipamento e ferramentas que não entram em contato direto com o material e a poeira adere e flutua no material devido ao fluxo de ar na oficina. De acordo com o grau de impacto, diferentes métodos de tratamento podem ser adotados, como pintura, substituição por revestimentos de materiais não metálicos (plástico, cerâmica) e envolvimento de componentes metálicos descobertos. Os gerentes também devem estabelecer regras e regulamentos correspondentes para definir claramente como gerenciar objetos metálicos estranhos, estabelecer uma lista de verificação e exigir que os funcionários realizem inspeções regulares para evitar possíveis problemas.

As matérias-primas são a fonte direta de objetos estranhos metálicos em materiais de eletrodos positivos. As matérias-primas adquiridas devem ter regulamentação sobre o conteúdo de objetos estranhos metálicos. Após entrar na fábrica, deve ser realizada uma inspeção rigorosa para garantir que seu conteúdo esteja dentro da faixa especificada. Se o teor de impurezas metálicas nas matérias-primas exceder o padrão, será difícil removê-las em processos subsequentes.

Para remover objetos estranhos metálicos, a remoção eletromagnética de ferro tornou-se um processo necessário na produção de materiais de eletrodos positivos. Máquinas eletromagnéticas de remoção de ferro são amplamente utilizadas, mas este equipamento não funciona em substâncias metálicas não magnéticas, como cobre e zinco. Portanto, a oficina deve evitar o uso de componentes de cobre e zinco. Se necessário, também é recomendado evitar o contato direto com o pó ou a exposição ao ar. Além disso, a posição de instalação, o número de instalações e as configurações dos parâmetros do removedor eletromagnético de ferro também têm um certo impacto no efeito de remoção de ferro.

Para garantir o ambiente da oficina e obter pressão positiva na oficina, também é necessário estabelecer portas duplas e chuveiros de ar para evitar a entrada de poeira externa na oficina e materiais poluentes. Ao mesmo tempo, os equipamentos da oficina e as estruturas de aço devem evitar a ferrugem, e o solo também deve ser pintado e desmagnetizado regularmente.

2. O teor de umidade do material do eletrodo positivo excede o padrão

Os materiais do eletrodo positivo são principalmente partículas em mícron ou nanoescala, que são fáceis de absorver a umidade do ar, especialmente materiais ternários com alto teor de Ni. Ao preparar a pasta do eletrodo positivo, se o material do eletrodo positivo tiver alto teor de água, a solubilidade do PVDF será reduzida após o NMP absorver água durante o processo de mistura da pasta, o que fará com que o gel da pasta se torne gelatinoso, afetando o desempenho do processamento. Depois de fazer uma bateria, sua capacidade, resistência interna, circulação e ampliação serão afetadas, portanto, o teor de umidade do material do eletrodo positivo, como objetos estranhos de metal, deve ser um projeto de controle chave.

Quanto maior o nível de automação dos equipamentos da linha de produção, menor será o tempo de exposição do pó ao ar e menos água será introduzida. A promoção de fornecedores de materiais para melhorar a automação dos equipamentos, como conseguir o transporte completo das tubulações, monitorar os pontos de orvalho das tubulações e instalar braços robóticos para obter carga e descarga automáticas, contribui muito para prevenir a introdução de umidade. Porém, alguns fornecedores de materiais são limitados pelo projeto da fábrica ou pelas pressões de custo, e quando a automação do equipamento não é alta e há muitos pontos de interrupção no processo de fabricação, é necessário controlar rigorosamente o tempo de exposição do pó. É melhor usar barris cheios de nitrogênio para o pó durante o processo de transferência.
A temperatura e a umidade da oficina de produção também são indicadores-chave de controle e, teoricamente, quanto menor o ponto de orvalho, mais favorável ele é. A maioria dos fornecedores de materiais concentra-se no controle de umidade após o processo de sinterização. Eles acreditam que uma temperatura de sinterização em torno de 1.000 graus Celsius pode remover a maior parte da umidade do pó. Contanto que a introdução de umidade desde o processo de sinterização até a fase de embalagem seja estritamente controlada, basicamente pode-se garantir que o teor de umidade do material não exceda o padrão.

É claro que isso não significa que não haja necessidade de controlar a umidade antes do processo de sinterização, pois se muita umidade for introduzida no processo anterior, a eficiência da sinterização e a microestrutura do material serão afetadas. Além disso, o método de embalagem também é muito importante. A maioria dos fornecedores de materiais utiliza sacos plásticos de alumínio para embalagem a vácuo, que atualmente parece ser o método mais econômico e eficaz.

É claro que diferentes designs de materiais também podem ter diferenças significativas na absorção de água, como diferenças nos materiais de revestimento e na área superficial específica, o que pode afetar sua absorção de água. Embora alguns fornecedores de materiais evitem a introdução de umidade durante o processo de fabricação, os próprios materiais têm a característica de serem fáceis de absorver água, tornando extremamente difícil secar a umidade após serem transformados em placas de eletrodos, o que causa problemas para os fabricantes de baterias. Portanto, no desenvolvimento de novos materiais, deve-se levar em consideração a questão da absorção de água e o desenvolvimento de materiais com maior universalidade, o que é muito benéfico tanto para a oferta quanto para a demanda.

3. Baixa consistência do lote de 3 materiais de eletrodo positivo

Para os fabricantes de baterias, quanto menor a diferença e melhor a consistência entre os lotes de materiais de eletrodos positivos, mais estável pode ser o desempenho da bateria acabada. Como todos sabemos, uma das principais desvantagens do material catódico de fosfato de ferro-lítio é a baixa estabilidade do lote. No processo de polpação, a viscosidade e o teor de sólidos de cada lote de polpa são instáveis ​​devido às grandes flutuações do lote, o que traz problemas aos usuários e requer constante ajuste do processo para adaptação.

Melhorar o grau de automação dos equipamentos de produção é o principal meio para melhorar a estabilidade do lote de materiais de fosfato de ferro-lítio. No entanto, atualmente, o grau de automação dos equipamentos dos fornecedores nacionais de materiais de fosfato de ferro-lítio é geralmente baixo, o nível técnico e a capacidade de gerenciamento de qualidade não são altos e os materiais fornecidos apresentam problemas de instabilidade de lote de diferentes graus. Do ponto de vista dos usuários, se as diferenças de lote não puderem ser eliminadas, esperamos que quanto maior o peso de um lote, melhor, desde que os materiais do mesmo lote sejam uniformes e estáveis.

Portanto, para atender a esse requisito, os fornecedores de materiais de ferro-lítio geralmente adicionam um processo de mistura após a fabricação do produto acabado, que consiste em misturar uniformemente vários lotes de materiais. Quanto maior o volume da chaleira misturadora, mais materiais ela contém e maior a quantidade de lote misturado.

O tamanho das partículas, a área superficial específica, a umidade, o valor do pH e outros indicadores de materiais de ferro-lítio podem afetar a viscosidade da pasta produzida. No entanto, estes indicadores são muitas vezes rigorosamente controlados dentro de uma certa faixa, e ainda pode haver diferenças significativas na viscosidade entre lotes de pasta. Para evitar anomalias durante o uso do lote, muitas vezes é necessário simular a fórmula de produção e preparar alguns testes de viscosidade da lama com antecedência antes de colocá-los em uso, e somente após atender aos requisitos eles podem ser colocados em uso, mas se os fabricantes de baterias realizarem testar antes de cada produção reduzirá bastante a eficiência da produção, portanto, eles encaminharão esse trabalho ao fornecedor do material e exigirão que o fornecedor do material conclua os testes e atenda aos requisitos antes do envio.

É claro que, com o avanço da tecnologia e a melhoria das capacidades de processo dos fornecedores de materiais, a dispersão das propriedades físicas está se tornando cada vez menor, e a etapa de testar a viscosidade antes do envio pode ser omitida. Além das medidas mencionadas acima para melhorar a consistência, devemos também utilizar ferramentas de qualidade para minimizar a instabilidade do lote e evitar a ocorrência de problemas de qualidade. Principalmente a partir dos seguintes aspectos.

(1) Estabelecer procedimentos operacionais.

A qualidade inerente de um produto é projetada e fabricada. Portanto, a forma como os operadores operam é particularmente importante para controlar a qualidade do produto, e devem ser estabelecidas normas operacionais detalhadas e específicas.

(2) Identificação do CTQ.

Identifique os principais indicadores e processos que afetam a qualidade do produto, monitore esses principais indicadores de controle e desenvolva medidas de resposta a emergências correspondentes. A linha ferroviária de ácido ortofosfórico é a corrente principal da atual preparação de fosfato de ferro-lítio. Seus processos incluem dosagem, moagem de bolas, sinterização, britagem, embalagem, etc. O processo de moagem de bolas deve ser gerenciado como um processo chave, porque se a consistência do tamanho da partícula primária após a moagem de bolas não for bem controlada, a consistência da partícula o tamanho do produto acabado será afetado, o que afetará a consistência do lote dos materiais.

(3) O uso do RCP.

Realize o monitoramento em tempo real do SPC dos principais parâmetros característicos dos principais processos, analise pontos anormais, identifique as causas da instabilidade, tome medidas corretivas e preventivas eficazes e evite o fluxo de produtos defeituosos para o cliente.

4. Outras situações adversas

Ao fazer lama, o material do eletrodo positivo é misturado uniformemente com solventes, adesivos e agentes condutores em uma certa proporção no tanque de lama e depois descarregado através da tubulação. Uma tela de filtro é instalada na saída para interceptar partículas grandes e objetos estranhos no material do eletrodo positivo e garantir a qualidade do revestimento. Se o material do eletrodo positivo contiver partículas grandes, isso causará entupimento da tela do filtro. Se a composição das partículas grandes ainda for o próprio material do eletrodo positivo, isso afetará apenas a eficiência da produção e não afetará o desempenho da bateria, e tais perdas podem ser reduzidas. Mas se a composição dessas partículas grandes for incerta e forem outros objetos metálicos estranhos, a pasta já produzida será completamente descartada, resultando em enormes perdas.

A ocorrência desta anormalidade deve ser devida a questões internas de gestão da qualidade do fornecedor do material. A maioria dos materiais de eletrodos positivos são produzidos por meio de processos de triagem e se a tela for danificada, inspecionada e substituída em tempo hábil. Se a tela estiver danificada, não há medidas anti-vazamento e a detecção de partículas grandes durante a inspeção de fábrica ainda precisa ser melhorada.