Manajemen kualitas bahan elektroda positif untuk baterai lithium

Manajemen kualitas bahan elektroda positif untuk baterai lithium

Kinerja baterai lithium-ion erat kaitannya dengan kualitas bahan elektroda positif.

Artikel ini memperkenalkan beberapa bentuk kegagalan bahan elektroda positif yang memiliki dampak signifikan terhadap kinerja baterai lithium-ion, seperti pencampuran dengan benda asing logam, kelembapan berlebihan, dan konsistensi batch yang buruk. Panduan ini menjelaskan bahaya serius yang ditimbulkan oleh bentuk kegagalan ini terhadap kinerja baterai, dan menjelaskan cara menghindari kegagalan ini dari perspektif manajemen kualitas, sehingga memberikan jaminan kuat untuk mencegah masalah kualitas lebih lanjut dan meningkatkan kualitas baterai lithium-ion.

Seperti kita ketahui bersama, bahan katoda merupakan salah satu bahan inti utama baterai litium ion, dan kinerjanya secara langsung mempengaruhi indikator kinerja baterai litium ion. Saat ini, bahan katoda baterai lithium ion yang dipasarkan antara lain lithium cobalate, lithium manganate, Lithium iron phosphate, bahan ternary dan produk lainnya.

Dibandingkan bahan baku baterai litium-ion lainnya, jenis bahan elektroda positif lebih beragam, proses produksinya juga lebih kompleks, dan risiko kegagalan kualitas lebih besar, sehingga memerlukan persyaratan manajemen mutu yang lebih tinggi. Artikel ini membahas bentuk kegagalan umum dan tindakan pencegahan yang sesuai pada bahan elektroda positif untuk baterai lithium-ion dari sudut pandang pengguna bahan.

1. Benda asing logam bercampur dengan bahan elektroda positif

Bila terdapat besi (Fe), tembaga (Cu), kromium (Cr), nikel (Ni), seng (Zn), perak (Ag) dan pengotor logam lainnya pada bahan katoda, maka tegangan pada tahap pembentukan baterai mencapai potensial oksidasi dan reduksi unsur logam tersebut, logam tersebut akan teroksidasi terlebih dahulu di kutub positif kemudian direduksi ke kutub negatif. Ketika elemen logam di kutub negatif terakumulasi sampai batas tertentu, tepi dan sudut keras dari logam yang diendapkan akan menembus diafragma, menyebabkan baterai habis sendiri.

Self-discharge dapat berdampak fatal pada baterai litium-ion, jadi sangat penting untuk mencegah masuknya benda asing logam dari sumbernya.

Ada banyak proses produksi untuk bahan elektroda positif, dan ada risiko masuknya benda asing logam di setiap langkah proses pembuatan. Hal ini mengedepankan persyaratan yang lebih tinggi untuk tingkat otomatisasi peralatan dan tingkat manajemen kualitas di lokasi pemasok material. Namun, pemasok material sering kali memiliki tingkat otomatisasi peralatan yang lebih rendah karena keterbatasan biaya, yang mengakibatkan lebih banyak titik henti sementara dalam proses produksi dan manufaktur, serta peningkatan risiko yang tidak dapat dikendalikan.

Oleh karena itu, untuk memastikan kinerja baterai yang stabil dan mencegah self-discharge, produsen baterai harus mempromosikan pemasok material untuk mencegah masuknya benda asing logam dari lima aspek: manusia, mesin, material, metode, dan lingkungan.

Mulai dari pengendalian personel, karyawan dilarang membawa benda asing logam ke dalam bengkel, memakai perhiasan, dan memakai pakaian kerja, sepatu, dan sarung tangan saat memasuki bengkel untuk menghindari kontak dengan benda asing logam sebelum bersentuhan dengan bedak. Membangun mekanisme pengawasan dan inspeksi, menumbuhkan kesadaran kualitas karyawan, dan membuat mereka secara sadar mematuhi dan menjaga lingkungan bengkel.

Peralatan produksi merupakan penghubung utama masuknya benda asing, seperti karat dan keausan material yang melekat pada komponen peralatan dan perkakas yang bersentuhan dengan material; Komponen peralatan dan perkakas yang tidak bersentuhan langsung dengan material, serta debu yang menempel dan mengapung pada material akibat aliran udara di bengkel. Berdasarkan tingkat dampaknya, metode penanganan yang berbeda dapat dilakukan, seperti pengecatan, penggantian dengan pelapis bahan non-logam (plastik, keramik), dan pembungkusan komponen logam kosong. Manajer juga harus menetapkan aturan dan regulasi yang sesuai untuk mendefinisikan dengan jelas cara mengelola benda asing logam, membuat daftar periksa, dan mewajibkan karyawan melakukan inspeksi rutin untuk mencegah potensi masalah.

Bahan baku merupakan sumber langsung benda asing logam pada bahan elektroda positif. Bahan baku yang dibeli harus mempunyai peraturan mengenai kandungan benda asing logam. Setelah memasuki pabrik, pemeriksaan ketat harus dilakukan untuk memastikan bahwa isinya berada dalam kisaran yang ditentukan. Jika kandungan pengotor logam pada bahan baku melebihi standar, maka sulit untuk dihilangkan pada proses selanjutnya.

Untuk menghilangkan benda asing logam, penghilangan besi elektromagnetik telah menjadi proses yang diperlukan dalam produksi bahan elektroda positif. Mesin penghilang besi elektromagnetik banyak digunakan, namun peralatan ini tidak bekerja pada zat logam non-magnetik seperti tembaga dan seng. Oleh karena itu, pihak bengkel sebaiknya menghindari penggunaan komponen tembaga dan seng. Jika perlu, disarankan juga untuk menghindari kontak langsung dengan bedak atau paparan udara. Selain itu, posisi pemasangan, jumlah pemasangan, dan pengaturan parameter penghilang besi elektromagnetik juga mempunyai pengaruh tertentu terhadap efek penghilangan besi.

Untuk menjamin lingkungan bengkel dan mencapai tekanan positif di bengkel, perlu juga dipasang pintu ganda dan pintu pancuran udara untuk mencegah masuknya debu luar ke dalam bengkel dan mencemari bahan. Pada saat yang sama, peralatan bengkel dan struktur baja harus terhindar dari karat, dan tanah juga harus dicat dan mengalami kerusakan magnetik secara teratur.

2. Kadar air bahan elektroda positif melebihi standar

Bahan elektroda positif sebagian besar berupa partikel mikron atau berskala nano yang mudah menyerap uap air dari udara, terutama bahan terner dengan kandungan Ni yang tinggi. Saat menyiapkan pasta elektroda positif, jika bahan elektroda positif memiliki kandungan air yang tinggi, kelarutan PVDF akan berkurang setelah NMP menyerap air selama proses pencampuran bubur, yang akan menyebabkan gel pasta menjadi jeli, sehingga mempengaruhi kinerja pemrosesan. Setelah membuat baterai, kapasitas, resistansi internal, sirkulasi, dan pembesarannya akan terpengaruh, sehingga kadar air bahan elektroda positif, seperti benda asing logam, harus menjadi proyek pengendalian utama.

Semakin tinggi tingkat otomatisasi peralatan lini produksi, semakin pendek waktu pemaparan bubuk di udara, dan semakin sedikit air yang dimasukkan. Mempromosikan pemasok material untuk meningkatkan otomatisasi peralatan, seperti mencapai transportasi pipa penuh, memantau titik embun pipa, dan memasang lengan robot untuk mencapai bongkar muat otomatis, berkontribusi besar dalam mencegah masuknya uap air. Namun, beberapa pemasok bahan dibatasi oleh desain pabrik atau tekanan biaya, dan ketika otomatisasi peralatan tidak tinggi dan terdapat banyak titik henti dalam proses produksi, waktu pemaparan bubuk perlu dikontrol secara ketat. Cara terbaik adalah menggunakan tong berisi nitrogen untuk bubuk selama proses transfer.
Suhu dan kelembapan di bengkel produksi juga merupakan indikator kontrol utama, dan secara teoritis, semakin rendah titik embun, semakin baik kondisinya. Sebagian besar pemasok material fokus pada pengendalian kelembaban setelah proses sintering. Mereka percaya bahwa suhu sintering sekitar 1000 derajat Celcius dapat menghilangkan sebagian besar kelembapan dalam bubuk. Selama pemasukan uap air dari proses sintering ke tahap pengemasan dikontrol dengan ketat, pada dasarnya hal ini dapat memastikan bahwa kadar air bahan tidak melebihi standar.

Tentu saja, hal ini tidak berarti bahwa tidak perlu mengontrol kadar air sebelum proses sintering, karena jika terlalu banyak uap air yang dimasukkan pada proses sebelumnya, efisiensi sintering dan struktur mikro material akan terpengaruh. Selain itu, cara pengemasan juga sangat penting. Sebagian besar pemasok bahan menggunakan kantong plastik aluminium untuk kemasan vakum, yang saat ini tampaknya merupakan metode yang paling ekonomis dan efektif.

Tentu saja, desain material yang berbeda juga dapat memiliki perbedaan penyerapan air yang signifikan, seperti perbedaan bahan pelapis dan luas permukaan spesifik, yang dapat mempengaruhi penyerapan airnya. Meskipun beberapa pemasok bahan mencegah masuknya kelembapan selama proses pembuatan, bahan tersebut sendiri memiliki karakteristik mudah menyerap air, sehingga sangat sulit untuk mengeringkan kelembapan setelah dibuat menjadi pelat elektroda, yang menyebabkan masalah bagi produsen baterai. Oleh karena itu, ketika mengembangkan material baru, pertimbangan harus diberikan pada masalah penyerapan air dan pengembangan material dengan universalitas yang lebih tinggi, yang sangat bermanfaat baik bagi penawaran maupun permintaan.

3. Konsistensi batch yang buruk dari 3 bahan elektroda positif

Bagi produsen baterai, semakin kecil perbedaannya dan semakin baik konsistensi antar kumpulan bahan elektroda positif, semakin stabil kinerja baterai jadinya. Seperti kita ketahui bersama, salah satu kelemahan utama bahan katoda besi litium fosfat adalah stabilitas batch yang buruk. Dalam proses pembuatan pulp, viskositas dan kandungan padat dari setiap batch bubur tidak stabil karena fluktuasi batch yang besar, sehingga menimbulkan masalah bagi pengguna dan memerlukan penyesuaian proses yang konstan untuk beradaptasi.

Meningkatkan tingkat otomatisasi peralatan produksi adalah cara utama untuk meningkatkan stabilitas batch bahan litium besi fosfat. Namun, saat ini, tingkat otomatisasi peralatan pemasok bahan litium besi fosfat dalam negeri umumnya rendah, tingkat teknis dan kemampuan manajemen mutu tidak tinggi, dan bahan yang disediakan memiliki masalah ketidakstabilan batch pada tingkat yang berbeda-beda. Dari sudut pandang pengguna, jika perbedaan batch tidak dapat dihilangkan, kami berharap semakin besar berat suatu batch, semakin baik, asalkan bahan dalam batch yang sama seragam dan stabil.

Maka untuk memenuhi kebutuhan tersebut, pemasok bahan besi litium seringkali menambahkan proses pencampuran setelah pembuatan produk jadi, yaitu mencampurkan beberapa batch bahan secara merata. Semakin besar volume ketel pencampur, semakin banyak bahan yang dikandungnya, dan semakin besar jumlah campurannya.

Ukuran partikel, luas permukaan spesifik, kelembaban, nilai pH, dan indikator lain dari bahan besi lithium dapat mempengaruhi viskositas slurry yang dihasilkan. Namun, indikator-indikator ini seringkali dikontrol secara ketat dalam kisaran tertentu, dan mungkin masih terdapat perbedaan viskositas yang signifikan antar batch slurry. Untuk mencegah anomali selama penggunaan batch, sering kali formula produksi perlu disimulasikan dan beberapa uji viskositas bubur disiapkan terlebih dahulu sebelum digunakan, dan hanya setelah memenuhi persyaratan barulah dapat digunakan, tetapi jika produsen baterai melakukan pengujian sebelum setiap produksi, ini akan sangat mengurangi efisiensi produksi, sehingga mereka akan meneruskan pekerjaan ini ke pemasok material dan mengharuskan pemasok material untuk menyelesaikan pengujian dan memenuhi persyaratan sebelum pengiriman.

Tentu saja, dengan kemajuan teknologi dan peningkatan kemampuan proses pemasok bahan, dispersi sifat fisik menjadi semakin kecil, dan langkah pengujian viskositas sebelum pengiriman dapat dihilangkan. Selain langkah-langkah yang disebutkan di atas untuk meningkatkan konsistensi, kita juga harus menggunakan alat kualitas untuk meminimalkan ketidakstabilan batch dan mencegah terjadinya masalah kualitas. Terutama dimulai dari aspek-aspek berikut.

(1) Menetapkan prosedur operasi.

Kualitas yang melekat pada suatu produk dirancang dan diproduksi. Oleh karena itu, cara operator beroperasi sangat penting untuk mengendalikan kualitas produk, dan standar pengoperasian yang rinci dan spesifik harus ditetapkan.

(2) Identifikasi CTQ.

Identifikasi indikator dan proses utama yang mempengaruhi kualitas produk, pantau indikator pengendalian utama ini, dan kembangkan tindakan tanggap darurat yang sesuai. Jalur kereta api asam ortofosfat adalah jalur utama dari persiapan litium besi fosfat saat ini. Prosesnya meliputi batching, ball milling, sintering, crushing, packing, dll. Proses ball milling harus dikelola sebagai proses utama, karena jika konsistensi ukuran partikel primer setelah ball mill tidak terkontrol dengan baik, maka konsistensi partikel ukuran produk jadi akan terpengaruh, yang akan mempengaruhi konsistensi batch bahan.

(3) Penggunaan SPC.

Melakukan pemantauan SPC secara real-time terhadap parameter karakteristik utama dari proses utama, menganalisis titik abnormal, mengidentifikasi penyebab ketidakstabilan, mengambil tindakan perbaikan dan pencegahan yang efektif, dan menghindari produk cacat mengalir ke klien.

4. Situasi buruk lainnya

Saat membuat slurry, material elektroda positif dicampur secara merata dengan pelarut, perekat, dan bahan konduktif dalam proporsi tertentu di dalam tangki slurry, kemudian dibuang melalui pipa. Layar filter dipasang di outlet untuk mencegat partikel besar dan benda asing dalam bahan elektroda positif dan memastikan kualitas lapisan. Jika bahan elektroda positif mengandung partikel besar maka akan menyebabkan penyumbatan pada layar filter. Jika komposisi partikel besar masih merupakan bahan elektroda positif itu sendiri, maka hanya akan mempengaruhi efisiensi produksi dan tidak mempengaruhi kinerja baterai, dan kerugian tersebut dapat dikurangi. Namun jika komposisi partikel-partikel besar tersebut tidak pasti dan merupakan benda asing logam lainnya, maka slurry yang sudah dibuat akan terbuang seluruhnya sehingga mengakibatkan kerugian yang sangat besar.

Terjadinya kelainan ini seharusnya disebabkan oleh masalah manajemen mutu internal dalam pemasok material. Sebagian besar bahan elektroda positif diproduksi melalui proses penyaringan, dan apakah layarnya rusak, diperiksa dan diganti tepat waktu. Jika layar rusak, tidak ada tindakan anti bocor, dan apakah partikel besar terdeteksi selama pemeriksaan pabrik masih perlu diperbaiki.