Proses pelapisan dan cacat baterai lithium

Proses pelapisan dan cacat baterai lithium

01

Pengaruh proses pelapisan terhadap kinerja baterai litium

Pelapisan polar umumnya mengacu pada proses melapisi bubur yang diaduk secara merata ke pengumpul arus dan mengeringkan pelarut organik dalam bubur. Efek pelapisan memiliki dampak signifikan terhadap kapasitas baterai, resistansi internal, siklus hidup, dan keamanan, sehingga memastikan pelapisan elektroda merata. Pemilihan metode pelapisan dan parameter kontrol memiliki dampak signifikan terhadap kinerja baterai lithium-ion, terutama diwujudkan dalam:

1) Kontrol suhu pengeringan untuk pelapisan: Jika suhu pengeringan terlalu rendah selama pelapisan, hal ini tidak dapat menjamin pengeringan elektroda secara menyeluruh. Jika suhu terlalu tinggi, hal ini mungkin disebabkan oleh cepatnya penguapan pelarut organik di dalam elektroda, yang mengakibatkan retak, terkelupas, dan fenomena lain pada lapisan permukaan elektroda;

2) Kepadatan permukaan lapisan: Jika kepadatan permukaan lapisan terlalu kecil, kapasitas baterai mungkin tidak mencapai kapasitas nominal. Jika kepadatan permukaan pelapis terlalu tinggi, bahan akan mudah terbuang. Dalam kasus yang parah, jika terdapat kapasitas elektroda positif yang berlebihan, dendrit litium akan terbentuk akibat pengendapan litium, menembus pemisah baterai dan menyebabkan korsleting, sehingga menimbulkan bahaya keselamatan;

3) Ukuran lapisan: Jika ukuran lapisan terlalu kecil atau terlalu besar, hal ini dapat menyebabkan elektroda positif di dalam baterai tidak tertutup seluruhnya oleh elektroda negatif. Selama proses pengisian, ion litium tertanam dari elektroda positif dan berpindah ke elektrolit yang tidak seluruhnya tertutup oleh elektroda negatif. Kapasitas sebenarnya dari elektroda positif tidak dapat dimanfaatkan secara efisien. Dalam kasus yang parah, dendrit litium dapat terbentuk di dalam baterai, yang dapat dengan mudah melubangi pemisah dan menyebabkan kerusakan sirkuit internal;

4) Ketebalan lapisan: Jika ketebalan lapisan terlalu tipis atau terlalu tebal, akan mempengaruhi proses penggulungan elektroda selanjutnya dan tidak dapat menjamin konsistensi kinerja elektroda baterai.

Selain itu, pelapisan elektroda sangat penting bagi keamanan baterai. Sebelum pelapisan, pekerjaan 5S harus dilakukan untuk memastikan tidak ada partikel, serpihan, debu, dll. yang tercampur ke dalam elektroda selama proses pelapisan. Jika ada kotoran yang tercampur, hal ini akan menyebabkan korsleting mikro di dalam baterai, yang dalam kasus parah dapat menyebabkan kebakaran dan ledakan.

02

Pemilihan peralatan pelapisan dan proses pelapisan

Proses pelapisan umum meliputi: pelepasan gulungan → penyambungan → penarikan → kontrol tegangan → pelapisan → pengeringan → koreksi → kontrol tegangan → koreksi → penggulungan, dan proses lainnya. Proses pelapisan itu rumit, dan banyak juga faktor yang mempengaruhi efek pelapisan, seperti keakuratan pembuatan peralatan pelapis, kelancaran pengoperasian peralatan, pengendalian tegangan dinamis selama proses pelapisan, ukuran aliran udara selama proses pelapisan. proses pengeringan, dan kurva kendali suhu. Oleh karena itu, memilih proses pelapisan yang sesuai sangatlah penting.

Pemilihan metode pelapisan secara umum perlu mempertimbangkan aspek-aspek berikut, antara lain: jumlah lapisan yang akan dilapisi, ketebalan lapisan basah, sifat reologi cairan pelapis, keakuratan pelapisan yang diperlukan, penyangga atau substrat pelapis, dan kecepatan pelapisan.

Selain faktor-faktor di atas, situasi spesifik dan karakteristik lapisan elektroda juga perlu dipertimbangkan. Karakteristik lapisan elektroda baterai lithium-ion adalah: ① lapisan satu sisi dua sisi; ② Lapisan basah bubur relatif tebal (100-300 μm) ③ Bubur adalah cairan dengan viskositas tinggi non Newtonian; ④ Persyaratan presisi untuk pelapisan film polar tinggi, mirip dengan pelapisan film; ⑤ Melapisi badan penyangga dengan ketebalan 10-20 μ Aluminium foil dan foil tembaga m; ⑥ Dibandingkan dengan kecepatan pelapisan film, kecepatan pelapisan film polar tidak tinggi. Dengan mempertimbangkan faktor-faktor di atas, peralatan laboratorium umum sering menggunakan jenis scraper, baterai lithium-ion konsumen sering menggunakan jenis transfer roller coating, dan baterai listrik sering menggunakan metode ekstrusi slot sempit.

Lapisan pengikis: Prinsip kerjanya ditunjukkan pada Gambar 1. Substrat foil melewati roller pelapis dan langsung bersentuhan dengan tangki bubur. Bubur berlebih diaplikasikan pada substrat foil. Ketika media melewati antara roller pelapis dan pengikis, celah antara pengikis dan media menentukan ketebalan lapisan. Pada saat yang sama, kelebihan bubur dikikis dan direfluks, membentuk lapisan seragam pada permukaan substrat. Jenis pengikis utama adalah pengikis koma. Pengikis koma adalah salah satu komponen kunci dalam kepala pelapis. Umumnya dikerjakan di sepanjang generatrix pada permukaan roller melingkar untuk membentuk pisau seperti koma. Scraper jenis ini memiliki kekuatan dan kekerasan yang tinggi, mudah untuk mengontrol jumlah dan akurasi lapisan, serta cocok untuk kandungan padatan tinggi dan bubur dengan viskositas tinggi.

Jenis transfer pelapis rol: Rol pelapis berputar untuk menggerakkan bubur, menyesuaikan jumlah transfer bubur melalui celah antara pengikis koma, dan menggunakan putaran rol belakang dan rol pelapis untuk memindahkan bubur ke substrat. Prosesnya ditunjukkan pada Gambar 2. Lapisan transfer pelapis rol melibatkan dua proses dasar: (1) Rotasi rol pelapis menggerakkan bubur untuk melewati celah antara rol pengukur, membentuk lapisan bubur dengan ketebalan tertentu; (2) Lapisan bubur dengan ketebalan tertentu dipindahkan ke foil dengan memutar roller pelapis dan roller belakang berlawanan arah untuk membentuk pelapis.

Lapisan ekstrusi celah sempit: Sebagai teknologi pelapisan basah yang presisi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, prinsip kerjanya adalah cairan pelapis diekstrusi dan disemprotkan di sepanjang celah cetakan pelapis di bawah tekanan dan laju aliran tertentu, dan dipindahkan ke substrat . Dibandingkan dengan metode pelapisan lainnya, metode ini memiliki banyak keunggulan, seperti kecepatan pelapisan yang cepat, akurasi tinggi, dan ketebalan basah yang seragam; Sistem pelapisan bersifat tertutup, sehingga dapat mencegah masuknya polutan selama proses pelapisan. Tingkat pemanfaatan bubur tinggi, dan sifat bubur stabil. Itu dapat dilapisi dalam beberapa lapisan secara bersamaan. Dan dapat beradaptasi dengan rentang viskositas bubur dan kandungan padat yang berbeda, serta memiliki kemampuan beradaptasi yang lebih kuat dibandingkan dengan teknologi pelapisan transfer.

03

Cacat lapisan dan faktor yang mempengaruhinya

Mengurangi cacat pelapisan, meningkatkan kualitas dan hasil pelapisan, serta mengurangi biaya selama proses pelapisan merupakan aspek penting yang perlu dikaji dalam proses pelapisan. Masalah umum yang terjadi pada proses pelapisan adalah kepala tebal dan ekor tipis, tepi tebal di kedua sisi, bintik hitam, permukaan kasar, foil terbuka, dan cacat lainnya. Ketebalan kepala dan ekor dapat diatur dengan waktu buka dan tutup katup pelapis atau katup intermiten. Masalah tepi tebal dapat diperbaiki dengan menyesuaikan sifat bubur, celah lapisan, laju aliran bubur, dll. Kekasaran permukaan, ketidakrataan, dan garis dapat diperbaiki dengan menstabilkan foil, mengurangi kecepatan, menyesuaikan sudut udara pisau, dll.

Substrat - Bubur

Hubungan antara sifat fisik dasar bubur dan pelapisan: Dalam proses sebenarnya, viskositas bubur mempunyai pengaruh tertentu pada efek pelapisan. Viskositas bubur yang dibuat bervariasi tergantung pada bahan baku elektroda, rasio bubur, dan jenis pengikat yang dipilih. Ketika viskositas bubur terlalu tinggi, pelapisan seringkali tidak dapat dilakukan secara terus menerus dan stabil, sehingga efek pelapisan juga terpengaruh.

Keseragaman, stabilitas, efek tepi dan permukaan larutan pelapis dipengaruhi oleh sifat reologi larutan pelapis, yang secara langsung menentukan kualitas pelapisan. Analisis teoritis, teknik eksperimen pelapisan, teknik elemen hingga dinamika fluida, dan metode penelitian lainnya dapat digunakan untuk mempelajari jendela pelapisan, yaitu rentang operasi proses untuk pelapisan yang stabil dan memperoleh pelapisan yang seragam.

Substrat - Tembaga foil dan aluminium foil

Tegangan permukaan: Tegangan permukaan aluminium foil tembaga harus lebih tinggi dari tegangan permukaan larutan yang dilapisi, jika tidak maka larutan akan sulit menyebar rata pada substrat, sehingga menghasilkan kualitas lapisan yang buruk. Salah satu prinsip yang harus diikuti adalah tegangan permukaan larutan yang akan dilapisi harus 5 dyne/cm lebih rendah dibandingkan tegangan permukaan substrat, meskipun ini hanya perkiraan kasar. Tegangan permukaan larutan dan substrat dapat diatur dengan mengatur formula atau perlakuan permukaan substrat. Pengukuran tegangan permukaan antara keduanya juga harus dianggap sebagai item uji kendali mutu.

Ketebalan seragam: Dalam proses yang mirip dengan pelapisan scraper, ketebalan permukaan melintang substrat yang tidak merata dapat menyebabkan ketebalan lapisan tidak merata. Karena pada proses pelapisan, ketebalan lapisan dikendalikan oleh celah antara scraper dan substrat. Jika ketebalan substrat secara horizontal lebih rendah, maka akan lebih banyak larutan yang melewati area tersebut, dan ketebalan lapisan juga akan lebih tebal, dan sebaliknya. Jika fluktuasi ketebalan substrat dilihat dari alat pengukur ketebalan, maka fluktuasi ketebalan film akhir juga akan menunjukkan deviasi yang sama. Selain itu, penyimpangan ketebalan lateral juga dapat menyebabkan cacat pada belitan. Maka untuk menghindari cacat tersebut, penting untuk mengontrol ketebalan bahan bakunya

Listrik statis: Pada garis pelapisan, banyak listrik statis dihasilkan pada permukaan substrat ketika diterapkan pada pelepasan dan melewati rol. Listrik statis yang dihasilkan dapat dengan mudah menyerap udara dan lapisan abu pada roller, sehingga mengakibatkan cacat lapisan. Selama proses pelepasan, listrik statis juga dapat menyebabkan cacat tampilan elektrostatik pada permukaan lapisan, dan yang lebih serius bahkan dapat menyebabkan kebakaran. Jika kelembapan rendah di musim dingin, masalah listrik statis pada garis pelapisan akan lebih menonjol. Cara paling efektif untuk mengurangi cacat tersebut adalah dengan menjaga kelembapan lingkungan setinggi mungkin, menghubungkan kabel pelapis, dan memasang beberapa perangkat antistatis.

Kebersihan: Kotoran pada permukaan substrat dapat menyebabkan beberapa cacat fisik, seperti tonjolan, kotoran, dll. Oleh karena itu dalam proses produksi substrat perlu dilakukan pengendalian kebersihan bahan baku dengan baik. Rol pembersih membran online adalah metode yang relatif efektif untuk menghilangkan kotoran substrat. Meskipun tidak semua kotoran pada membran dapat dihilangkan, namun secara efektif dapat meningkatkan kualitas bahan baku dan mengurangi kerugian.

04

Peta Cacat Tiang Baterai Lithium

【1】 Cacat gelembung pada lapisan elektroda negatif baterai lithium-ion

Pelat elektroda negatif dengan gelembung di gambar kiri dan pembesaran 200x mikroskop elektron pemindaian di gambar kanan. Selama proses pencampuran, pengangkutan, dan pelapisan, debu atau gumpalan panjang serta benda asing lainnya bercampur ke dalam larutan pelapis atau jatuh ke permukaan pelapis basah. Tegangan permukaan lapisan pada titik ini dipengaruhi oleh gaya eksternal, menyebabkan perubahan gaya antarmolekul, sehingga perpindahan bubur menjadi ringan. Setelah kering, terbentuk tanda melingkar, dengan bagian tengah tipis.

【2】 Lubang Jarum

Salah satunya adalah pembentukan gelembung (proses pengadukan, proses transportasi, proses pelapisan); Cacat lubang jarum yang disebabkan oleh gelembung relatif mudah dipahami. Gelembung pada film basah bermigrasi dari lapisan dalam ke permukaan film, dan pecah di permukaan membentuk cacat lubang jarum. Gelembung terutama berasal dari fluiditas yang buruk, perataan yang buruk, dan pelepasan gelembung yang buruk selama proses pencampuran, pengangkutan cairan, dan pelapisan.

【3】 Goresan

Kemungkinan penyebabnya: Benda asing atau partikel besar tersangkut di celah sempit atau celah pelapis, kualitas substrat buruk, menyebabkan benda asing menghalangi celah pelapis antara roller pelapis dan roller belakang, serta kerusakan pada bibir cetakan.

【4】 Tepi tebal

Alasan pembentukan tepi tebal didorong oleh tegangan permukaan bubur, yang menyebabkan bubur bermigrasi ke tepi elektroda yang tidak dilapisi, membentuk tepi tebal setelah pengeringan.

【5】 Partikel teragregasi pada permukaan elektroda negatif

Rumus: Grafit bulat+SUPER C65+CMC+air suling

Morfologi makro polarizer dengan dua proses pengadukan yang berbeda: permukaan halus (kiri) dan adanya partikel kecil dalam jumlah besar di permukaan (kanan)

Rumus: Grafit bulat+SUPER C65+CMC/SBR+Air suling

Morfologi partikel kecil yang membesar pada permukaan elektroda (a dan b): Agregat zat konduktif, tidak terdispersi sempurna.

Morfologi polarizer permukaan halus yang diperbesar: Zat konduktif tersebar sepenuhnya dan merata.

【6】 Partikel diaglomerasi pada permukaan elektroda positif

Rumus: NCA+asetilen hitam+PVDF+NMP

Selama proses pencampuran, kelembaban lingkungan yang terlalu tinggi menyebabkan slurry menjadi seperti jelly, bahan konduktif tidak terdispersi sempurna, dan terdapat banyak partikel pada permukaan polarizer setelah digulung.

【7】 Retak pada pelat kutub sistem air

Rumus: NMC532/karbon hitam/pengikat=90/5/5% berat, pelarut air/isopropanol (IPA)

Foto optik retakan permukaan pada polarizer, dengan kepadatan lapisan masing-masing (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2, dan (d) 25 mg/cm2. Polarizer yang tebal lebih rentan retak.

【8】 Penyusutan pada permukaan polarizer

Rumus: grafit serpihan+SP+CMC/SBR+air suling

Adanya partikel polutan pada permukaan foil mengakibatkan rendahnya tegangan permukaan film basah pada permukaan partikel. Film cair memancar dan bermigrasi menuju pinggiran partikel, membentuk cacat titik penyusutan.

【9】 Goresan pada permukaan elektroda

Rumus: NMC532+SP+PVdF+NMP

Lapisan ekstrusi jahitan sempit, dengan partikel besar di ujung tombak menyebabkan kebocoran foil dan goresan pada permukaan elektroda.

【10】 Melapisi garis-garis vertikal

Rumus: NCA+SP+PVdF+NMP

Pada tahap selanjutnya dari pelapisan transfer, viskositas penyerapan air dari bubur meningkat, mendekati batas atas jendela pelapisan selama pelapisan, mengakibatkan perataan bubur yang buruk dan pembentukan garis-garis vertikal.

【11】 Roll menekan retakan di area di mana lapisan film polar belum sepenuhnya kering

Rumus: grafit serpihan+SP+CMC/SBR+air suling

Selama pelapisan, bagian tengah polarizer tidak sepenuhnya kering, dan selama penggulungan, lapisan bermigrasi, membentuk retakan berbentuk strip.

【12】 Kerutan tepi akibat pengepresan rol kutub

Fenomena tepi tebal yang terbentuk akibat pelapisan, pengepresan roller, dan kerutan pada tepi pelapis

【13】 Lapisan pemotongan elektroda negatif terlepas dari foil

Formula: grafit alami+asetilen hitam+CMC/SBR+air suling, rasio zat aktif 96%

Ketika cakram polar dipotong, lapisan dan foilnya terlepas.

【14】 Gerinda pemotongan tepi

Selama pemotongan cakram elektroda positif, kontrol tegangan yang tidak stabil menyebabkan pembentukan gerinda foil selama pemotongan sekunder.

【15】 Irisan kutub memotong tepi gelombang

Selama pemotongan cakram elektroda negatif, karena tumpang tindih dan tekanan yang tidak tepat dari bilah pemotong, tepi gelombang dan pelepasan lapisan pada sayatan akan terbentuk.

【16】 Cacat lapisan umum lainnya termasuk infiltrasi udara, gelombang lateral, kendur, Anak sungai, pemuaian, kerusakan air, dll.

Cacat dapat terjadi pada tahap pemrosesan apa pun: persiapan pelapisan, produksi substrat, pengoperasian substrat, area pelapisan, area pengeringan, pemotongan, pemotongan, proses penggulungan, dll. Apa metode logis umum untuk mengatasi cacat?

1.Selama proses dari produksi percontohan hingga produksi, perlu untuk mengoptimalkan formula produk, proses pelapisan dan pengeringan, serta menemukan jendela proses yang relatif baik atau lebar.

2. Gunakan beberapa metode pengendalian kualitas dan alat statistik (SPC) untuk mengontrol kualitas produk. Dengan memantau dan mengontrol ketebalan lapisan yang stabil secara online, atau menggunakan sistem pemeriksaan tampilan visual (Visual System) untuk memeriksa cacat pada permukaan lapisan.

3. Jika terjadi cacat produk, sesuaikan proses tepat waktu untuk menghindari cacat berulang.

05

Keseragaman lapisan

Yang disebut keseragaman pelapisan mengacu pada konsistensi distribusi ketebalan lapisan atau jumlah perekat dalam area pelapisan. Semakin baik konsistensi ketebalan lapisan atau jumlah perekat maka semakin baik pula keseragaman lapisannya, begitu pula sebaliknya. Tidak ada indeks pengukuran terpadu untuk keseragaman lapisan, yang dapat diukur dengan deviasi atau persentase deviasi ketebalan lapisan atau jumlah perekat pada setiap titik di area tertentu relatif terhadap rata-rata ketebalan lapisan atau jumlah perekat di area tersebut, atau dengan perbedaan antara ketebalan lapisan maksimum dan minimum atau jumlah perekat pada suatu area tertentu. Ketebalan lapisan biasanya dinyatakan dalam µm.

Keseragaman pelapisan digunakan untuk mengevaluasi kondisi pelapisan keseluruhan suatu area. Namun dalam produksi sebenarnya, kami biasanya lebih memperhatikan keseragaman arah horizontal dan vertikal media. Yang disebut keseragaman horizontal mengacu pada keseragaman arah lebar lapisan (atau arah horizontal mesin). Yang disebut keseragaman memanjang mengacu pada keseragaman arah panjang lapisan (atau arah perjalanan substrat).

Terdapat perbedaan yang signifikan dalam ukuran, faktor yang mempengaruhi, dan metode pengendalian kesalahan pengaplikasian lem horizontal dan vertikal. Secara umum, semakin besar lebar substrat (atau lapisan), semakin sulit mengontrol keseragaman lateral. Berdasarkan pengalaman praktis selama bertahun-tahun dalam pelapisan online, bila lebar media di bawah 800mm, keseragaman lateral biasanya mudah dijamin; Jika lebar media antara 1300-1800mm, keseragaman lateral sering kali dapat dikontrol dengan baik, namun terdapat kesulitan tertentu dan diperlukan tingkat profesionalisme yang tinggi; Jika lebar media di atas 2000 mm, sangat sulit untuk mengontrol keseragaman lateral, dan hanya sedikit produsen yang dapat menanganinya dengan baik. Ketika batch produksi (yaitu panjang pelapisan) bertambah, keseragaman memanjang mungkin menjadi lebih sulit atau menantang daripada keseragaman melintang.