Phân tích các đặc tính và yếu tố ảnh hưởng chính của miếng dán pin lithium

Việc sản xuất pin lithium-ion là một quá trình liên kết chặt chẽ giữa các bước quy trình. Nói chung, quá trình sản xuất pin lithium bao gồm quá trình sản xuất mảnh cực, quá trình lắp ráp pin và quá trình bơm chất lỏng cuối cùng, sạc trước, hình thành và lão hóa. Trong quy trình ba giai đoạn, mỗi quy trình có thể được chia thành nhiều quy trình chính, và mỗi bước sẽ có tác động lớn đến hiệu suất cuối cùng của pin.

Trong quy trình sản xuất miếng cực, nó có thể được chia thành năm quy trình: chuẩn bị bùn, phủ bùn, cán miếng cực, cắt miếng cực, và làm khô miếng cực. Trong quá trình lắp ráp pin, theo các thông số kỹ thuật pin khác nhau, nó có thể được chia đại khái thành cuộn dây, vỏ bọc, hàn và các quy trình khác. Trong giai đoạn phun chất lỏng cuối cùng, bao gồm các quá trình khác nhau như bơm chất lỏng, xả, làm kín, làm đầy trước, hình thành và lão hóa. Quá trình sản xuất miếng cực là nội dung cốt lõi của toàn bộ quá trình sản xuất pin lithium, có liên quan đến chất lượng hiệu suất điện hóa của pin và chất lượng của bùn đặc biệt quan trọng.

1. Lý thuyết cơ bản về bùn

Chất lỏng điện cực pin lithium-ion là một loại chất lỏng. Nói chung, chất lỏng có thể được chia thành chất lỏng Newton và chất lỏng không Newton. Trong số đó, chất lỏng không Newton có thể được chia thành chất lỏng dẻo trương nở, chất lỏng không Newton phụ thuộc thời gian, chất lỏng giả dẻo và chất lỏng dẻo Bingham. Chất lỏng Newton là chất lỏng có độ nhớt thấp, cực kỳ dễ biến dạng sau khi bị ứng suất, và ứng suất cắt tỷ lệ với tốc độ biến dạng. Chất lưu có ứng suất cắt tại bất kỳ điểm nào có quan hệ hàm tuyến tính với tốc độ biến dạng cắt. Nhiều chất lỏng trong tự nhiên là chất lỏng Newton. Hầu hết các chất lỏng tinh khiết như nước và rượu, dầu nhẹ, dung dịch hợp chất phân tử thấp và khí chảy tốc độ thấp đều là chất lỏng Newton.

Chất lỏng phi Newton đề cập đến chất lỏng không thỏa mãn các định luật thực nghiệm của Newton về độ nhớt, tức là chất lỏng có ứng suất cắt và tốc độ biến dạng cắt không tuyến tính. Chất lưu không Newton có mặt rộng rãi trong đời sống, sản xuất và tự nhiên. Dung dịch đậm đặc và huyền phù của polyme phân tử cao nói chung là chất lỏng không phải Newton. Hầu hết các chất lỏng sinh học thuộc về chất lỏng phi Newton hiện được xác định. Chất lỏng cơ thể người như máu, bạch huyết, dịch nang, và" bán chất lỏng" giống như tế bào chất đều là chất lỏng không phải Newton.

Bùn điện cực bao gồm nhiều loại nguyên liệu thô với các trọng lượng riêng khác nhau và kích thước hạt khác nhau, được trộn và phân tán trong pha rắn-lỏng. Bùn tạo thành là một chất lỏng không phải Newton. Bùn pin Lithium có thể được chia thành hai loại: bùn điện cực dương và bùn điện cực âm. Do các hệ thống bùn khác nhau (gốc dầu và gốc nước), đặc tính của chúng sẽ khác nhau rất nhiều. Tuy nhiên, đánh giá các đặc tính của bùn không gì khác ngoài các thông số sau:

1. Độ nhớt của bùn

Độ nhớt là thước đo độ nhớt của chất lỏng và là biểu thức của lực dòng chất lỏng trên hiện tượng ma sát bên trong của nó. Khi một chất lỏng chảy, tính chất của ma sát bên trong giữa các phân tử của nó được gọi là độ nhớt của chất lỏng. Độ nhớt được biểu thị bằng độ nhớt, dùng để đặc trưng cho hệ số lực cản liên quan đến tính chất của chất lỏng. Độ nhớt được chia thành độ nhớt động lực học và độ nhớt có điều kiện.

Vật nhớt được định nghĩa là một cặp đĩa song song có diện tích là A và khoảng cách là dr. Các đĩa này chứa đầy một chất lỏng nhất định. Bây giờ một lực đẩy F được đặt vào tấm trên để tạo ra một sự thay đổi tốc độ du. Vì độ nhớt của chất lỏng truyền lực này theo từng lớp, nên mỗi lớp chất lỏng cũng chuyển động tương ứng, tạo thành một gradient vận tốc du / dr, được gọi là tốc độ cắt, được biểu thị bằng r'. F / A được gọi là ứng suất cắt và được biểu thị bằng τ. Mối quan hệ giữa tốc độ cắt và ứng suất cắt như sau:

(F / A)=η (du / dr)

Chất lỏng Newton tuân theo công thức Newton' s. Độ nhớt chỉ liên quan đến nhiệt độ và không liên quan gì đến tốc độ cắt. τ tỉ lệ thuận với D.

Chất lỏng phi Newton không tuân theo công thức Newton τ / D=f (D), và ηa đại diện cho độ nhớt dưới một (τ / D) nhất định, được gọi là độ nhớt biểu kiến. Ngoài nhiệt độ, độ nhớt của chất lỏng phi Newton cũng liên quan đến tốc độ cắt, thời gian và những thay đổi trong quá trình cắt mỏng hoặc dày khi cắt.

2. Tính chất bùn

Bùn là một chất lỏng phi Newton, một chất lỏng hỗn hợp rắn-lỏng. Để đáp ứng các yêu cầu của quá trình phủ tiếp theo, bùn cần có ba đặc điểm sau:

① Tính thanh khoản tốt. Độ lỏng có thể được quan sát bằng cách khuấy bùn để nó chảy xuống tự nhiên. Tính liên tục tốt, ngắt quãng liên tục thể hiện tính thanh khoản tốt. Tính lưu động liên quan đến hàm lượng chất rắn và độ nhớt của bùn,

②Leveling. Độ phẳng của bùn ảnh hưởng đến độ phẳng và độ đồng đều của lớp phủ.

③ Rheology. Lưu biến đề cập đến các đặc tính biến dạng của bùn trong dòng chảy, và chất lượng của nó ảnh hưởng đến chất lượng của mảnh cực.

3. Cơ sở của sự phân tán bùn

Trong sản xuất điện cực cho pin lithium-ion, bùn điện cực dương bao gồm chất kết dính, chất dẫn điện và vật liệu điện cực dương; bùn điện cực âm bao gồm chất kết dính, bột than chì, v.v ... Việc chuẩn bị bùn âm và dương bao gồm một loạt các quy trình công nghệ như trộn lẫn, hòa tan và phân tán lẫn nhau của chất lỏng và chất lỏng, vật liệu lỏng và rắn, và quá trình này kèm theo những thay đổi về nhiệt độ, độ nhớt và môi trường. Quá trình trộn và phân tán của bùn pin lithium-ion có thể được chia thành quá trình trộn vĩ mô và quá trình phân tán vi mô. Hai quá trình này sẽ luôn đi kèm với toàn bộ quá trình chuẩn bị bùn pin lithium-ion. Việc chuẩn bị bùn thường trải qua các giai đoạn sau:

① Trộn bột khô. Các hạt tiếp xúc với nhau dưới dạng chấm, chấm, chấm,

② Công đoạn nhào bùn bán khô. Ở giai đoạn này, sau khi bột khô được trộn đều, chất lỏng hoặc dung môi kết dính được thêm vào, và nguyên liệu thô được làm ướt và bùn. Sau khi máy trộn khuấy mạnh, vật liệu bị cắt và ma sát bởi lực cơ học, và sẽ có ma sát bên trong giữa các hạt. Dưới nhiều lực khác nhau, các hạt nguyên liệu thô có xu hướng bị phân tán cao. Giai đoạn này có ảnh hưởng quan trọng đến kích thước hạt và độ nhớt của bùn thành phẩm.

③ Giai đoạn pha loãng và phân tán. Sau khi nhào trộn xong, dung môi được thêm vào từ từ để điều chỉnh độ nhớt và hàm lượng chất rắn của bùn. Ở giai đoạn này, sự phân tán và sự đoàn tụ cùng tồn tại, và cuối cùng đạt đến sự ổn định. Ở giai đoạn này, sự phân tán của vật liệu chủ yếu chịu tác dụng của lực cơ học, lực cản ma sát giữa bột và chất lỏng, lực cắt phân tán tốc độ cao và lực tương tác giữa bùn và thành thùng.

2. Phân tích các thông số ảnh hưởng đến tính chất của bùn

Bùn sau khi trộn cần có độ ổn định tốt, đây là chỉ tiêu quan trọng để đảm bảo tính đồng bộ của pin trong quá trình sản xuất pin. Khi quá trình trộn bùn kết thúc và ngừng khuấy, bùn sẽ lắng lại, kết bông và kết dính lại, tạo thành các hạt lớn, điều này sẽ ảnh hưởng lớn hơn đến lớp phủ tiếp theo và các quá trình khác. Các thông số chính đặc trưng cho sự ổn định của bùn là tính lưu động, độ nhớt, hàm lượng chất rắn, tỷ trọng, v.v.

1. Độ nhớt của bùn

Chất lỏng điện cực cần phải có độ nhớt ổn định và thích hợp, có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phủ mảnh điện cực. Nếu độ nhớt quá cao hoặc quá thấp đều không có lợi cho lớp phủ của miếng cực. Bùn có độ nhớt cao không dễ kết tủa và khả năng phân tán sẽ tốt hơn, nhưng độ nhớt quá cao không có lợi cho hiệu quả san lấp mặt bằng và lớp phủ; độ nhớt quá thấp Nó cũng không tốt. Mặc dù bùn có tính lưu động tốt khi độ nhớt thấp, nhưng rất khó khô, điều này làm giảm hiệu quả làm khô của lớp phủ và các vấn đề như nứt lớp phủ, kết tụ hạt bùn và độ đặc bề mặt kém sẽ xảy ra.

Vấn đề thường phát sinh trong quá trình sản xuất của chúng tôi là độ nhớt thay đổi, và" thay đổi" ở đây có thể chia thành thay đổi tức thời và thay đổi tĩnh. Thay đổi tức thời đề cập đến sự thay đổi mạnh mẽ ở giữa quá trình kiểm tra độ nhớt và thay đổi tĩnh đề cập đến sự thay đổi độ nhớt của bùn sau một khoảng thời gian. Sự thay đổi độ nhớt cao hoặc thấp, hoặc đôi khi cao và đôi khi thấp. Nói chung, các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của bùn chủ yếu bao gồm tốc độ khuấy trộn bùn, kiểm soát thời gian, trình tự trộn, nhiệt độ và độ ẩm môi trường, ... Có rất nhiều yếu tố, chúng ta nên phân tích và giải quyết như thế nào khi gặp độ nhớt thay đổi? Độ nhớt của bùn về cơ bản bị ảnh hưởng bởi chất kết dính. Giả sử, nếu không có chất kết dính PVDF / CMC / SBR (như thể hiện trong Hình 2 và 3), hoặc chất kết dính không kết hợp tốt các vật liệu hoạt động, liệu vật liệu hoạt tính rắn và chất dẫn điện có tạo thành chất lỏng không Newton với đồng nhất không lớp áo? ? sẽ không! Vì vậy, để phân tích và giải quyết nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi độ nhớt của bùn, chúng ta phải bắt đầu từ bản chất của chất kết dính và mức độ phân tán của bùn.

Hình 2. Cấu trúc sắp xếp phân tử PVDF

Hình 3. Cấu trúc phân tử CMC

(1) Tăng độ nhớt

Các hệ thống bùn khác nhau có sự thay đổi độ nhớt khác nhau. Hệ thống xả bùn chính hiện nay là hệ thống dầu PVDF / NMP điện cực dương và hệ thống bùn điện cực âm là hệ thống nước graphite / CMC / SBR.

① Độ nhớt của bùn điện cực dương tăng sau một thời gian. Một trong những nguyên nhân (bảo quản trong thời gian ngắn) là do tốc độ khuấy trộn bùn quá nhanh và chất kết dính không được hòa tan hết. Sau một thời gian, bột PVDF được hòa tan hoàn toàn và độ nhớt tăng lên. Nói chung, PVDF cần ít nhất 3 giờ để hòa tan hoàn toàn, dù tốc độ khuấy có nhanh đến đâu cũng không thể thay đổi yếu tố ảnh hưởng này, cái gọi là" vội vàng không nhanh" ;. Nguyên nhân thứ hai (bảo quản lâu) là chất keo chuyển từ trạng thái sol sang trạng thái gel khi bùn đứng yên. Nếu nó được đồng nhất ở tốc độ chậm, độ nhớt của nó có thể được phục hồi. Nguyên nhân thứ ba là một cấu trúc đặc biệt được hình thành giữa chất keo, chất sống và các hạt chất dẫn điện. Trạng thái này là không thể đảo ngược và không thể phục hồi sau khi độ nhớt của bùn tăng lên.

② Độ nhớt của bùn điện cực âm tăng lên. Sự gia tăng độ nhớt của bùn điện cực âm chủ yếu là do sự phá hủy cấu trúc phân tử của chất kết dính. Độ nhớt của bùn tăng lên sau khi chuỗi phân tử bị phá vỡ và bị oxy hóa. Nếu vật liệu bị phân tán quá mức, kích thước hạt sẽ giảm đáng kể, điều này cũng làm tăng độ nhớt của bùn.

(2) Giảm độ nhớt

① Độ nhớt của bùn điện cực dương giảm. Một trong những nguyên nhân là do tính chất của chất keo kết dính đã thay đổi. Có nhiều lý do dẫn đến sự thay đổi, chẳng hạn như lực cắt mạnh trong quá trình chuyển bùn, thay đổi chất lượng do chất kết dính hút ẩm, thay đổi cấu trúc trong quá trình khuấy và sự xuống cấp của chính nó. Nguyên nhân thứ hai là sự trộn lẫn và phân tán không đồng đều khiến chất rắn trong bùn lắng đọng trên diện tích lớn. Nguyên nhân thứ ba là chất kết dính chịu lực cắt và lực ma sát mạnh từ thiết bị và vật liệu sinh hoạt trong quá trình khuấy, tính chất của nó thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao dẫn đến giảm độ nhớt.

②Độ nhớt của bùn điện cực âm giảm. Một trong những nguyên nhân là do CMC có chứa tạp chất. Hầu hết các tạp chất trong CMC là nhựa polyme hòa tan kém. Khi CMC trộn lẫn với canxi, magiê, v.v., độ nhớt của nó sẽ bị giảm. Lý do thứ hai là CMC là natri hydroxymethyl cellulose, chủ yếu là sự kết hợp của C / O. Liên kết rất yếu và dễ bị phá hủy bởi lực cắt. Khi tốc độ khuấy quá nhanh hoặc thời gian quá lâu, cấu trúc của CMC có thể bị phá hủy. CMC có vai trò làm đặc và ổn định bùn điện cực âm, đồng thời nó đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán nguyên liệu. Một khi cấu trúc của nó bị hư hỏng, chắc chắn nó sẽ làm cho bùn lắng xuống và giảm độ nhớt của nó. Nguyên nhân thứ ba là sự phá hủy chất kết dính SBR. Trong thực tế sản xuất, CMC và SBR thường được lựa chọn để làm việc cùng nhau, và vai trò của cả hai là khác nhau. SBR chủ yếu hoạt động như một chất kết dính, nhưng nó dễ bị khử nhũ tương khi khuấy trong thời gian dài, dẫn đến sự cố kết và giảm độ nhớt của bùn.

(3) Hoàn cảnh đặc biệt (hình dạng thạch cao và đôi khi thấp)

Trong quá trình chuẩn bị bùn điện cực dương, đôi khi bùn trở thành" thạch" ;. Có hai nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này: Thứ nhất, độ ẩm. Cân nhắc rằng sự hút ẩm của nguyên liệu sống, kiểm soát độ ẩm kém trong quá trình trộn, và độ ẩm cao của nguyên liệu sau khi nguyên liệu hút ẩm hoặc môi trường trộn sẽ làm cho PVDF hút ẩm và trở thành thạch. Thứ hai, giá trị pH của bùn hoặc vật liệu. Giá trị pH càng cao, việc kiểm soát độ ẩm càng chặt chẽ, đặc biệt là việc khuấy trộn các vật liệu niken cao như NCA và NCM811.

Độ nhớt của bùn dao động cao và thấp. Một trong những nguyên nhân có thể là do bùn không được ổn định hoàn toàn trong quá trình thử nghiệm, và độ nhớt của bùn bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ. Đặc biệt là sau khi được phân tán với tốc độ cao, nhiệt độ bên trong của bùn có một gradien nhiệt độ nhất định, độ nhớt khác nhau của các mẫu không giống nhau. Nguyên nhân thứ hai là sự phân tán của bùn kém, chất hoạt tính, chất kết dính và chất dẫn điện không phân tán tốt, bùn không có tính lưu động tốt, và độ nhớt của bùn tự nhiên dao động cao thấp.

2. Kích thước của bùn

Sau khi trộn, kích thước hạt cần được đo. Phương pháp đo kích thước hạt thường áp dụng phương pháp cạp. Kích thước hạt là một thông số quan trọng để đặc trưng cho chất lượng của bùn. Kích thước hạt có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phủ, quá trình cán và hiệu suất của pin. Về mặt lý thuyết, kích thước hạt bùn càng nhỏ càng tốt. Khi kích thước hạt quá lớn, tính ổn định của bùn sẽ bị ảnh hưởng, dẫn đến bùn lắng và độ đặc kém. Trong quá trình tráng ép đùn, sẽ có hiện tượng vật liệu bị tắc nghẽn, rỗ sau khi sấy khô miếng cực, gây ảnh hưởng đến chất lượng của miếng cực. Trong quá trình cán tiếp theo, lực không đều trên lớp phủ kém có thể dễ dàng làm cho miếng cực bị gãy và các vết nứt nhỏ cục bộ, gây hại lớn đến hiệu suất chu trình, hiệu suất tốc độ và hiệu suất an toàn của pin.

Các vật liệu chính như vật liệu hoạt động tích cực và tiêu cực, chất kết dính, chất dẫn điện, vv có kích thước hạt khác nhau và mật độ khác nhau, và các phương pháp tiếp xúc khác nhau như trộn, ép, ma sát và kết tụ sẽ xảy ra trong quá trình khuấy. Trong giai đoạn nguyên liệu được trộn dần, làm ướt bởi dung môi, các mảnh nguyên liệu lớn bị vỡ ra và dần dần ổn định sẽ xảy ra hiện tượng trộn nguyên liệu không đồng đều, chất kết dính hòa tan kém, các hạt mịn kết tụ nghiêm trọng và xuất hiện tính chất kết dính. Những thay đổi, v.v., sẽ dẫn đến việc tạo ra các hạt lớn.

Khi chúng ta hiểu nguyên nhân của các hạt, chúng ta phải kê đơn thuốc phù hợp để giải quyết những vấn đề này. Về việc trộn bột khô nguyên liệu, cá nhân mình thấy tốc độ của máy trộn ảnh hưởng ít nhiều đến mức độ trộn bột khô mà cả hai cần đủ thời gian để đảm bảo trộn bột khô. Bây giờ một số nhà sản xuất chọn chất kết dính dạng bột và một số chọn chất kết dính hòa tan trong chất lỏng. Hai chất kết dính khác nhau quyết định sự khác biệt trong quá trình này. Việc sử dụng chất kết dính dạng bột sẽ mất nhiều thời gian hơn để hòa tan, nếu không sẽ xảy ra hiện tượng trương nở, bật lại, thay đổi độ nhớt, v.v. trong giai đoạn sau. Sự kết tụ giữa các hạt mịn là không thể tránh khỏi, nhưng chúng ta phải đảm bảo rằng có đủ ma sát giữa các vật liệu để thúc đẩy quá trình đùn và nghiền các hạt kết tụ, có lợi cho việc trộn. Điều này đòi hỏi chúng ta phải kiểm soát hàm lượng rắn của bùn ở các giai đoạn khác nhau. Hàm lượng chất rắn quá thấp sẽ ảnh hưởng đến ma sát và phân tán giữa các hạt.

3. Hàm lượng rắn của bùn

Hàm lượng rắn của bùn liên quan chặt chẽ đến độ ổn định của bùn. Với cùng một quy trình và công thức, bùn có hàm lượng rắn càng cao thì độ nhớt càng lớn và ngược lại. Trong một phạm vi nhất định, độ nhớt càng cao thì độ ổn định của bùn càng cao. Khi chúng tôi thiết kế pin, chúng tôi thường đảo ngược độ dày của lõi từ dung lượng pin sang thiết kế của miếng cực. Sau đó, thiết kế mảnh cực chỉ liên quan đến các thông số như mật độ hạt, mật độ vật chất hoạt động và độ dày. Các thông số của miếng cực được điều chỉnh bởi máy phủ và máy ép con lăn, và hàm lượng rắn của bùn không ảnh hưởng trực tiếp đến nó. Vì vậy, có phải nội dung rắn của bùn không liên quan?

(1) Hàm lượng chất rắn có ảnh hưởng nhất định đến việc cải thiện hiệu quả trộn và hiệu quả phủ. Hàm lượng chất rắn càng cao thì thời gian khuấy trộn bùn càng ngắn, lượng dung môi tiêu thụ càng ít, hiệu quả làm khô lớp phủ càng cao và tiết kiệm thời gian.

(2) Hàm lượng rắn có các yêu cầu nhất định đối với thiết bị. Bùn có hàm lượng rắn cao có khả năng mất mát thiết bị cao hơn, vì hàm lượng rắn càng cao, thiết bị càng bị mài mòn nghiêm trọng.

(3) Bùn có hàm lượng rắn cao có độ ổn định cao hơn. Một số kết quả kiểm tra độ ổn định của bùn cho thấy (như trong hình bên dưới) rằng TSI (chỉ số không ổn định) 1,05 của khuấy thông thường cao hơn giá trị TSI 0,75 trong quá trình khuấy có độ nhớt cao, do đó, độ ổn định của bùn thu được cao -Quá trình trộn độ nhớt tốt hơn so với quá trình trộn thông thường. Tuy nhiên, bùn có hàm lượng rắn cao cũng sẽ ảnh hưởng đến tính lưu động của nó, điều này rất khó khăn đối với thiết bị và kỹ thuật viên của quá trình phủ.

(4) Bùn có hàm lượng chất rắn cao có thể làm giảm độ dày giữa các lớp phủ và giảm điện trở bên trong của pin.

4. Mật độ dán

Mật độ của bùn là một thông số quan trọng đối với tính nhất quán của bùn phản ứng, và hiệu ứng phân tán của bùn có thể được xác minh bằng cách thử mật độ của bùn ở các vị trí khác nhau. Tôi sẽ không đi vào chi tiết ở đây, và thông qua phần tóm tắt trên, tôi tin rằng mọi người có thể chuẩn bị một loại bùn điện cực tốt.