Processo de revestimento e defeitos de baterias de lítio

Processo de revestimento e defeitos de baterias de lítio

01

A influência do processo de revestimento no desempenho das baterias de lítio

O revestimento polar geralmente se refere a um processo de revestimento uniforme de uma pasta agitada em um coletor de corrente e secagem dos solventes orgânicos na pasta. O efeito de revestimento tem um impacto significativo na capacidade da bateria, na resistência interna, no ciclo de vida e na segurança, garantindo um revestimento uniforme do eletrodo. A seleção de métodos de revestimento e parâmetros de controle tem um impacto significativo no desempenho das baterias de íon-lítio, manifestado principalmente em:

1) Controle de temperatura de secagem para revestimento: Se a temperatura de secagem for muito baixa durante o revestimento, não será possível garantir a secagem completa do eletrodo. Se a temperatura for muito alta, pode ser devido à rápida evaporação de solventes orgânicos dentro do eletrodo, resultando em rachaduras, descascamento e outros fenômenos no revestimento superficial do eletrodo;

2) Densidade da superfície do revestimento: Se a densidade da superfície do revestimento for muito pequena, a capacidade da bateria pode não atingir a capacidade nominal. Se a densidade da superfície do revestimento for muito alta, é fácil causar desperdício de ingredientes. Em casos graves, se houver capacidade excessiva do eletrodo positivo, formar-se-ão dendritos de lítio devido à precipitação do lítio, perfurando o separador da bateria e causando um curto-circuito, representando um risco à segurança;

3) Tamanho do revestimento: Se o tamanho do revestimento for muito pequeno ou muito grande, pode fazer com que o eletrodo positivo dentro da bateria não seja completamente coberto pelo eletrodo negativo. Durante o processo de carregamento, os íons de lítio são incorporados no eletrodo positivo e passam para o eletrólito que não está completamente coberto pelo eletrodo negativo. A capacidade real do eletrodo positivo não pode ser utilizada de forma eficiente. Em casos graves, podem formar-se dendritos de lítio no interior da bateria, o que pode facilmente perfurar o separador e causar danos ao circuito interno;

4) Espessura do revestimento: Se a espessura do revestimento for muito fina ou muito espessa, isso afetará o processo subsequente de laminação do eletrodo e não poderá garantir a consistência do desempenho do eletrodo da bateria.

Além disso, o revestimento do eletrodo é de grande importância para a segurança das baterias. Antes do revestimento, o trabalho 5S deve ser feito para garantir que nenhuma partícula, detritos, poeira, etc. sejam misturados no eletrodo durante o processo de revestimento. Se algum resíduo for misturado, causará um microcurto-circuito dentro da bateria, o que pode causar incêndio e explosão em casos graves.

02

Seleção de equipamento de revestimento e processo de revestimento

O processo geral de revestimento inclui: desenrolamento → emenda → tração → controle de tensão → revestimento → secagem → correção → controle de tensão → correção → enrolamento e outros processos. O processo de revestimento é complexo e também existem muitos fatores que afetam o efeito do revestimento, como a precisão de fabricação do equipamento de revestimento, a suavidade da operação do equipamento, o controle da tensão dinâmica durante o processo de revestimento, o tamanho do fluxo de ar durante o processo de secagem e a curva de controle de temperatura. Portanto, a escolha de um processo de revestimento adequado é extremamente importante.

A seleção geral do método de revestimento precisa considerar os seguintes aspectos, incluindo: o número de camadas a serem revestidas, a espessura do revestimento úmido, as propriedades reológicas do líquido de revestimento, a precisão necessária do revestimento, o suporte ou substrato do revestimento, e a velocidade de revestimento.

Além dos fatores acima, também é necessário considerar a situação e as características específicas do revestimento do eletrodo. As características do revestimento do eletrodo da bateria de íons de lítio são: ① revestimento de dupla face e camada única; ② O revestimento úmido da pasta é relativamente espesso (100-300 μm). ③ A pasta é um fluido não newtoniano de alta viscosidade; ④ O requisito de precisão para o revestimento de filme polar é alto, semelhante ao do revestimento de filme; ⑤ Corpo de suporte de revestimento com espessura de 10-20 μ Folha de alumínio e folha de cobre de m; ⑥ Em comparação com a velocidade de revestimento do filme, a velocidade de revestimento do filme polar não é alta. Levando em consideração os fatores acima, o equipamento geral de laboratório geralmente usa o tipo raspador, as baterias de íon-lítio para consumo geralmente usam o tipo de transferência de revestimento de rolo e as baterias de energia geralmente usam o método de extrusão de slot estreito.

Revestimento raspador: O princípio de funcionamento é mostrado na Figura 1. O substrato laminado passa pelo rolo de revestimento e entra em contato direto com o tanque de polpa. O excesso de pasta é aplicado ao substrato de folha metálica. Quando o substrato passa entre o rolo de revestimento e o raspador, a folga entre o raspador e o substrato determina a espessura do revestimento. Ao mesmo tempo, o excesso de pasta é raspado e refluxado, formando um revestimento uniforme na superfície do substrato. Os principais tipos de raspadores são os raspadores de vírgula. O raspador de vírgula é um dos principais componentes da cabeça de revestimento. Geralmente é usinado ao longo da geratriz na superfície do rolo circular para formar uma lâmina semelhante a uma vírgula. Este tipo de raspador possui alta resistência e dureza, é fácil de controlar a quantidade e precisão do revestimento e é adequado para pastas com alto teor de sólidos e alta viscosidade.

Tipo de transferência de revestimento de rolo: O rolo de revestimento gira para conduzir a pasta, ajusta a quantidade de transferência de pasta através da lacuna entre o raspador de vírgula e usa a rotação do rolo traseiro e do rolo de revestimento para transferir a pasta para o substrato. O processo é mostrado na Figura 2. O revestimento de transferência de revestimento por rolo envolve dois processos básicos: (1) A rotação do rolo de revestimento faz com que a pasta passe através do espaço entre os rolos de medição, formando uma certa espessura da camada de pasta; (2) Uma certa espessura da camada de pasta é transferida para a folha girando o rolo de revestimento e o rolo traseiro em direções opostas para formar um revestimento.

Revestimento de extrusão de fenda estreita: Como uma tecnologia de revestimento úmido de precisão, conforme mostrado na Figura 3, o princípio de funcionamento é que o líquido de revestimento é extrudado e pulverizado ao longo das lacunas do molde de revestimento sob uma certa pressão e vazão, e transferido para o substrato . Em comparação com outros métodos de revestimento, tem muitas vantagens, como velocidade de revestimento rápida, alta precisão e espessura úmida uniforme; O sistema de revestimento é fechado, o que pode impedir a entrada de poluentes durante o processo de revestimento. A taxa de utilização da pasta é alta e as propriedades da pasta são estáveis. Pode ser revestido em múltiplas camadas simultaneamente. E pode se adaptar a diferentes faixas de viscosidade de pasta e conteúdo de sólidos, e tem maior adaptabilidade em comparação com a tecnologia de revestimento de transferência.

03

Defeitos de revestimento e fatores de influência

Reduzir defeitos de revestimento, melhorar a qualidade e o rendimento do revestimento e reduzir custos durante o processo de revestimento são aspectos importantes que precisam ser estudados no processo de revestimento. Os problemas comuns que ocorrem no processo de revestimento são cabeça espessa e cauda fina, bordas grossas em ambos os lados, manchas escuras, superfície áspera, folha exposta e outros defeitos. A espessura da cabeça e da cauda pode ser ajustada pelo tempo de abertura e fechamento da válvula de revestimento ou válvula intermitente. O problema das bordas grossas pode ser melhorado ajustando as propriedades da pasta, lacuna de revestimento, taxa de fluxo da pasta, etc. A rugosidade, irregularidade e listras da superfície podem ser melhoradas estabilizando a folha, reduzindo a velocidade, ajustando o ângulo do ar faca, etc

Substrato - Pasta

A relação entre as propriedades físicas básicas da pasta e do revestimento: No processo real, a viscosidade da pasta tem um certo impacto no efeito do revestimento. A viscosidade da pasta preparada varia dependendo das matérias-primas do eletrodo, da proporção da pasta e do tipo de ligante selecionado. Quando a viscosidade da pasta é muito alta, o revestimento muitas vezes não pode ser realizado de forma contínua e estável, e o efeito do revestimento também é afetado.

A uniformidade, estabilidade, efeitos de borda e superfície da solução de revestimento são influenciados pelas propriedades reológicas da solução de revestimento, que determinam diretamente a qualidade do revestimento. Análise teórica, técnicas experimentais de revestimento, técnicas de elementos finitos de dinâmica de fluidos e outros métodos de pesquisa podem ser usados ​​para estudar a janela de revestimento, que é a faixa de operação do processo para revestimento estável e obtenção de revestimento uniforme.

Substrato - Folha de cobre e folha de alumínio

Tensão superficial: A tensão superficial da folha de cobre e alumínio deve ser maior que a tensão superficial da solução revestida, caso contrário, será difícil espalhar a solução no substrato, resultando em baixa qualidade do revestimento. Um princípio a seguir é que a tensão superficial da solução a ser revestida deve ser 5 dinas/cm inferior à do substrato, embora esta seja apenas uma estimativa aproximada. A tensão superficial da solução e do substrato pode ser ajustada ajustando a fórmula ou o tratamento superficial do substrato. A medição da tensão superficial entre os dois também deve ser considerada como um item de teste de controle de qualidade.

Espessura uniforme: Em um processo semelhante ao revestimento raspador, a espessura irregular da superfície transversal do substrato pode levar a uma espessura irregular do revestimento. Porque no processo de revestimento a espessura do revestimento é controlada pela folga entre o raspador e o substrato. Se houver uma espessura menor do substrato horizontalmente, haverá mais solução passando por aquela área, e a espessura do revestimento também será mais espessa e vice-versa. Se a flutuação da espessura do substrato puder ser vista no medidor de espessura, a flutuação final da espessura do filme também mostrará o mesmo desvio. Além disso, o desvio lateral da espessura também pode levar a defeitos no enrolamento. Portanto, para evitar tais defeitos, é importante controlar a espessura das matérias-primas

Eletricidade estática: Na linha de revestimento, muita eletricidade estática é gerada na superfície do substrato quando aplicada no desenrolamento e na passagem pelos rolos. A eletricidade estática gerada pode facilmente adsorver o ar e a camada de cinzas no rolo, resultando em defeitos de revestimento. Durante o processo de descarga, a eletricidade estática também pode causar defeitos de aparência eletrostática na superfície do revestimento e, mais gravemente, pode até causar incêndios. Se a umidade for baixa no inverno, o problema de eletricidade estática na linha de revestimento será mais proeminente. A maneira mais eficaz de reduzir tais defeitos é manter a umidade ambiental o mais alta possível, aterrar o fio de revestimento e instalar alguns dispositivos antiestáticos.

Limpeza: Impurezas na superfície do substrato podem causar alguns defeitos físicos, como saliências, sujeira, etc. Portanto, no processo de produção de substratos, é necessário controlar bem a limpeza das matérias-primas. Os rolos de limpeza de membrana online são um método relativamente eficaz para remover impurezas do substrato. Embora nem todas as impurezas da membrana possam ser removidas, ela pode efetivamente melhorar a qualidade das matérias-primas e reduzir perdas.

04

Mapa de defeitos de postes de bateria de lítio

【1】 Defeitos de bolha no revestimento do eletrodo negativo de baterias de íon de lítio

A placa do eletrodo negativo com bolhas na imagem da esquerda e a ampliação de 200x do microscópio eletrônico de varredura na imagem da direita. Durante o processo de mistura, transporte e revestimento, poeira ou flocos longos e outros objetos estranhos se misturam à solução de revestimento ou caem na superfície do revestimento úmido. A tensão superficial do revestimento neste ponto é afetada por forças externas, causando alterações nas forças intermoleculares, resultando em transferência suave da pasta. Após a secagem, formam-se marcas circulares, com centro fino.

【2】 Orifício

Uma delas é a geração de bolhas (processo de agitação, processo de transporte, processo de revestimento); O defeito pinhole causado por bolhas é relativamente fácil de entender. Bolhas no filme úmido migram da camada interna para a superfície do filme e se rompem na superfície para formar um defeito pinhole. As bolhas provêm principalmente de baixa fluidez, mau nivelamento e má liberação de bolhas durante a mistura, transporte de líquidos e processos de revestimento.

【3】 Arranhões

Possíveis causas: Objetos estranhos ou partículas grandes presos na abertura estreita ou na lacuna de revestimento, baixa qualidade do substrato, causando objetos estranhos bloqueando a lacuna de revestimento entre o rolo de revestimento e o rolo traseiro e danos à borda do molde.

【4】 Borda grossa

A razão para a formação de bordas espessas é impulsionada pela tensão superficial da pasta, que faz com que a pasta migre em direção à borda não revestida do eletrodo, formando bordas espessas após a secagem.

【5】 Partículas agregadas na superfície do eletrodo negativo

Fórmula: Grafite esférica+SUPER C65+CMC+água destilada

Macromorfologia de polarizadores com dois processos de agitação diferentes: superfície lisa (esquerda) e presença de grande número de pequenas partículas na superfície (direita)

Fórmula: Grafite esférica+SUPER C65+CMC/SBR+Água destilada

Morfologia ampliada de pequenas partículas na superfície do eletrodo (aeb): Agregados de agentes condutores, não completamente dispersos.

Morfologia ampliada de polarizadores de superfície lisa: O agente condutor é totalmente disperso e distribuído uniformemente.

【6】 Partículas aglomeradas na superfície do eletrodo positivo

Fórmula: NCA+acetileno negro+PVDF+NMP

Durante o processo de mistura, a umidade ambiental é muito alta, fazendo com que a pasta fique gelatinosa, o agente condutor não esteja completamente disperso e haja um grande número de partículas na superfície do polarizador após a laminação.

【7】 Rachaduras nas placas polares do sistema de água

Fórmula: NMC532/negro de fumo/aglutinante = 90/5/5% em peso, solvente água/isopropanol (IPA)

Fotos ópticas de trincas superficiais em polarizadores, com densidades de revestimento de (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 e (d) 25 mg/cm2, respectivamente. Polarizadores grossos são mais propensos a rachaduras.

【8】 Encolhimento na superfície do polarizador

Fórmula: grafite em flocos+SP+CMC/SBR+água destilada

A presença de partículas poluentes na superfície da folha resulta numa área de baixa tensão superficial da película húmida na superfície das partículas. O filme líquido emite e migra para a periferia das partículas, formando defeitos pontuais de contração.

【9】 Arranhões na superfície do eletrodo

Fórmula: NMC532+SP+PVdF+NMP

Revestimento de extrusão de costura estreita, com partículas grandes na ponta causando vazamento da folha e arranhões na superfície do eletrodo.

【10】 Revestimento de listras verticais

Fórmula: NCA+SP+PVdF+NMP

Na fase posterior do revestimento de transferência, a viscosidade de absorção de água da pasta aumenta, aproximando-se do limite superior da janela de revestimento durante o revestimento, resultando num mau nivelamento da pasta e na formação de faixas verticais.

【11】 Rolo pressionando rachaduras na área onde o filme polar não está totalmente seco

Fórmula: grafite em flocos+SP+CMC/SBR+água destilada

Durante o revestimento, a área central do polarizador não fica completamente seca e, durante a laminação, o revestimento migra, formando fissuras em forma de tira.

【12】 Rugas nas bordas da prensagem do rolo polar

O fenômeno das bordas espessas formadas por revestimento, prensagem com rolo e enrugamento das bordas do revestimento

【13】 Revestimento de corte do eletrodo negativo separado da folha

Fórmula: grafite natural+negro de acetileno+CMC/SBR+água destilada, proporção de substância ativa 96%

Quando o disco polar é cortado, o revestimento e a película se desprendem.

【14】 Rebarbas de corte de borda

Durante o corte do disco do eletrodo positivo, o controle instável da tensão leva à formação de rebarbas durante o corte secundário.

【15】 Borda de onda de corte de fatia polar

Durante o corte do disco do eletrodo negativo, devido à sobreposição e pressão inadequadas das lâminas de corte, formam-se bordas onduladas e desprendimento do revestimento da incisão.

【16】 Outros defeitos comuns de revestimento incluem infiltração de ar, ondas laterais, flacidez, riacho, expansão, danos causados ​​pela água, etc.

Os defeitos podem ocorrer em qualquer etapa do processamento: preparação do revestimento, produção do substrato, operação do substrato, área de revestimento, área de secagem, corte, laminação, processo de laminação, etc. Qual é o método lógico geral para resolver defeitos?

1.Durante o processo desde a produção piloto até a produção, é necessário otimizar a fórmula do produto, o processo de revestimento e secagem e encontrar uma janela de processo relativamente boa ou ampla.

2. Utilizar alguns métodos de controle de qualidade e ferramentas estatísticas (CEP) para controlar a qualidade dos produtos. Monitorando e controlando on-line a espessura estável do revestimento ou usando um sistema de inspeção visual da aparência (Visual System) para verificar se há defeitos na superfície do revestimento.

3. Quando ocorrerem defeitos no produto, ajuste o processo em tempo hábil para evitar defeitos repetidos.

05

Uniformidade de revestimento

A chamada uniformidade de revestimento refere-se à consistência da distribuição da espessura do revestimento ou da quantidade de adesivo dentro da área de revestimento. Quanto melhor for a consistência da espessura do revestimento ou da quantidade de adesivo, melhor será a uniformidade do revestimento e vice-versa. Não existe um índice de medição unificado para uniformidade do revestimento, que pode ser medido pelo desvio ou desvio percentual da espessura do revestimento ou quantidade de adesivo em cada ponto de uma determinada área em relação à espessura média do revestimento ou quantidade de adesivo naquela área, ou pelo diferença entre a espessura máxima e mínima do revestimento ou quantidade de adesivo em uma determinada área. A espessura do revestimento é geralmente expressa em µ m.

A uniformidade do revestimento é usada para avaliar a condição geral do revestimento de uma área. Mas na produção real, geralmente nos preocupamos mais com a uniformidade nas direções horizontal e vertical do substrato. A chamada uniformidade horizontal refere-se à uniformidade da direção da largura do revestimento (ou direção horizontal da máquina). A chamada uniformidade longitudinal refere-se à uniformidade na direção do comprimento do revestimento (ou direção de deslocamento do substrato).

Existem diferenças significativas no tamanho, fatores de influência e métodos de controle de erros de aplicação de cola horizontal e vertical. Em geral, quanto maior a largura do substrato (ou revestimento), mais difícil é controlar a uniformidade lateral. Com base em anos de experiência prática em revestimento on-line, quando a largura do substrato é inferior a 800 mm, a uniformidade lateral geralmente é facilmente garantida; Quando a largura do substrato está entre 1300-1800mm, a uniformidade lateral muitas vezes pode ser bem controlada, mas há uma certa dificuldade e é necessário um nível considerável de profissionalismo; Quando a largura do substrato está acima de 2.000 mm, controlar a uniformidade lateral é muito difícil e apenas alguns fabricantes conseguem lidar bem com isso. Quando o lote de produção (ou seja, o comprimento do revestimento) aumenta, a uniformidade longitudinal pode tornar-se uma dificuldade ou desafio maior do que a uniformidade transversal.