Coatingproces en defecten van lithiumbatterijen

Coatingproces en defecten van lithiumbatterijen

01

De invloed van het coatingproces op de prestaties van lithiumbatterijen

Polaire coating verwijst in het algemeen naar een proces waarbij een geroerde slurry gelijkmatig op een stroomcollector wordt aangebracht en de organische oplosmiddelen in de slurry worden gedroogd. Het coatingeffect heeft een aanzienlijke invloed op de batterijcapaciteit, interne weerstand, levensduur en veiligheid, waardoor een gelijkmatige coating van de elektrode wordt gegarandeerd. De selectie van coatingmethoden en controleparameters heeft een aanzienlijke impact op de prestaties van lithium-ionbatterijen, wat zich voornamelijk manifesteert in:

1) Controle van de droogtemperatuur voor coating: als de droogtemperatuur tijdens het coaten te laag is, kan dit geen volledige droging van de elektrode garanderen. Als de temperatuur te hoog is, kan dit te wijten zijn aan de snelle verdamping van organische oplosmiddelen in de elektrode, wat resulteert in barsten, loslaten en andere verschijnselen op de oppervlaktecoating van de elektrode;

2) Oppervlaktedichtheid van de coating: Als de oppervlaktedichtheid van de coating te klein is, bereikt de batterijcapaciteit mogelijk niet de nominale capaciteit. Als de oppervlaktedichtheid van de coating te hoog is, ontstaat gemakkelijk verspilling van ingrediënten. In ernstige gevallen, als er een overmatige positieve elektrodecapaciteit is, zullen zich lithiumdendrieten vormen als gevolg van lithiumprecipitatie, waardoor de batterijscheider wordt doorboord en kortsluiting ontstaat, wat een veiligheidsrisico vormt;

3) Coatinggrootte: Als de coatinggrootte te klein of te groot is, kan dit ertoe leiden dat de positieve elektrode in de batterij niet volledig wordt bedekt door de negatieve elektrode. Tijdens het laadproces worden lithiumionen ingebed vanuit de positieve elektrode en komen terecht in de elektrolyt die niet volledig wordt bedekt door de negatieve elektrode. De feitelijke capaciteit van de positieve elektrode kan niet efficiënt worden benut. In ernstige gevallen kunnen zich lithiumdendrieten in de batterij vormen, die de separator gemakkelijk kunnen doorboren en schade aan het interne circuit kunnen veroorzaken;

4) Laagdikte: als de laagdikte te dun of te dik is, heeft dit invloed op het daaropvolgende rolproces van de elektrode en kan de consistentie van de prestaties van de batterij-elektrode niet worden gegarandeerd.

Bovendien is elektrodecoating van groot belang voor de veiligheid van batterijen. Vóór het coaten moet er 5S-werk worden gedaan om ervoor te zorgen dat er tijdens het coatingproces geen deeltjes, vuil, stof enz. in de elektrode terechtkomen. Als er vuil wordt gemengd, veroorzaakt dit een microkortsluiting in de batterij, wat in ernstige gevallen tot brand en explosies kan leiden.

02

Selectie van coatingapparatuur en coatingproces

Het algemene coatingproces omvat: afrollen → splitsen → trekken → spanningscontrole → coaten → drogen → correctie → spanningscontrole → correctie → wikkelen, en andere processen. Het coatingproces is complex en er zijn ook veel factoren die het coatingeffect beïnvloeden, zoals de productienauwkeurigheid van de coatingapparatuur, de soepelheid van de werking van de apparatuur, de controle van de dynamische spanning tijdens het coatingproces, de grootte van de luchtstroom tijdens het coatingproces. het droogproces en de temperatuurcontrolecurve. Daarom is het kiezen van een geschikt coatingproces uiterst belangrijk.

Bij de algemene selectie van de coatingmethode moet rekening worden gehouden met de volgende aspecten, waaronder: het aantal te coaten lagen, de dikte van de natte coating, de reologische eigenschappen van de coatingvloeistof, de vereiste coatingnauwkeurigheid, de coatingondersteuning of het substraat, en de coatingsnelheid.

Naast de bovengenoemde factoren is het ook noodzakelijk om rekening te houden met de specifieke situatie en kenmerken van de elektrodecoating. De kenmerken van de elektrodecoating van lithium-ionbatterijen zijn: ① dubbelzijdige enkellaagse coating; ② De natte coating van de slurry is relatief dik (100-300 μm) ③ De slurry is een niet-Newtoniaanse vloeistof met hoge viscositeit; ④ De nauwkeurigheidseis voor polaire filmcoating is hoog, vergelijkbaar met die voor filmcoating; ⑤ Coating steunlichaam met een dikte van 10-20 μ Aluminiumfolie en koperfolie van m; ⑥ Vergeleken met de filmcoatingsnelheid is de polaire filmcoatingsnelheid niet hoog. Rekening houdend met de bovenstaande factoren, maakt algemene laboratoriumapparatuur vaak gebruik van het schrapertype, gebruiken lithium-ionbatterijen voor consumenten vaak het overdrachtstype met rolcoating en gebruiken stroombatterijen vaak een extrusiemethode met een smalle gleuf.

Schrapercoating: Het werkingsprincipe wordt getoond in Figuur 1. Het foliesubstraat passeert de coatingrol en komt rechtstreeks in contact met de mesttank. Overtollige slurry wordt op het foliesubstraat aangebracht. Wanneer het substraat tussen de coatingrol en de schraper passeert, bepaalt de opening tussen de schraper en het substraat de coatingdikte. Tegelijkertijd wordt de overtollige slurry afgeschraapt en gerefluxt, waardoor een uniforme coating op het oppervlak van het substraat ontstaat. De belangrijkste soorten schrapers zijn kommaschrapers. De kommaschraper is een van de belangrijkste componenten in de coatingkop. Het wordt over het algemeen langs de beschrijvende lijn op het oppervlak van de cirkelvormige rol bewerkt om een ​​komma-achtig blad te vormen. Dit type schraper heeft een hoge sterkte en hardheid, is gemakkelijk om de hoeveelheid en nauwkeurigheid van de coating te regelen en is geschikt voor slurry's met een hoog vastestofgehalte en hoge viscositeit.

Type overdracht van rolcoating: de coatingrol roteert om de slurry aan te drijven, past de hoeveelheid slurryoverdracht aan via de opening tussen de kommaschraper en gebruikt de rotatie van de achterrol en de coatingrol om de slurry naar het substraat over te brengen. Het proces wordt getoond in Figuur 2. Transfercoating met rollercoating omvat twee basisprocessen: (1) De rotatie van de coatingrol drijft de slurry aan om door de opening tussen de meetrollen te gaan, waardoor een bepaalde dikte van de slurrylaag ontstaat; (2) Een bepaalde dikte van de slurrylaag wordt overgebracht naar de folie door de coatingrol en de achterrol in tegengestelde richtingen te draaien om een ​​coating te vormen.

Extrusiecoating met smalle spleten: als een nauwkeurige natte coatingtechnologie, zoals weergegeven in figuur 3, is het werkingsprincipe dat de coatingvloeistof onder een bepaalde druk en stroomsnelheid langs de openingen van de coatingmatrijs wordt geëxtrudeerd en gespoten en naar het substraat wordt overgebracht . Vergeleken met andere coatingmethoden heeft het veel voordelen, zoals een hoge coatingsnelheid, hoge nauwkeurigheid en uniforme natte dikte; Het coatingsysteem is gesloten, wat kan voorkomen dat er tijdens het coatingproces verontreinigende stoffen binnendringen. De benuttingsgraad van de slurry is hoog en de slurry-eigenschappen zijn stabiel. Het kan in meerdere lagen tegelijk worden gecoat. En het kan zich aanpassen aan verschillende bereiken van slurryviscositeit en vaste stofgehalte, en heeft een sterker aanpassingsvermogen vergeleken met transfercoatingtechnologie.

03

Coatingdefecten en beïnvloedende factoren

Het verminderen van coatingdefecten, het verbeteren van de coatingkwaliteit en -opbrengst en het verlagen van de kosten tijdens het coatingproces zijn belangrijke aspecten die in het coatingproces moeten worden bestudeerd. De meest voorkomende problemen die optreden bij het coatingproces zijn dikke kop en dunne staart, dikke randen aan beide zijden, donkere vlekken, ruw oppervlak, blootliggende folie en andere defecten. De dikte van de kop en staart kan worden aangepast door de openings- en sluitingstijd van de coatingklep of intermitterende klep. Het probleem van dikke randen kan worden verbeterd door de eigenschappen van de slurry, de coatingspleet, de slurrystroomsnelheid, enz. Aan te passen. De oppervlakteruwheid, oneffenheden en strepen kunnen worden verbeterd door de folie te stabiliseren, de snelheid te verminderen en de hoek van de lucht aan te passen. mes, enz.

Substraat - Drijfmest

De relatie tussen de fysische basiseigenschappen van de slurry en de coating: In het feitelijke proces heeft de viscositeit van de slurry een zekere invloed op het coatingeffect. De viscositeit van de bereide slurry varieert afhankelijk van de grondstoffen voor de elektrode, de slurryverhouding en het gekozen type bindmiddel. Wanneer de viscositeit van de slurry te hoog is, kan het coaten vaak niet continu en stabiel worden uitgevoerd en wordt ook het coatingeffect beïnvloed.

De uniformiteit, stabiliteit, rand- en oppervlakte-effecten van de coatingoplossing worden beïnvloed door de reologische eigenschappen van de coatingoplossing, die rechtstreeks de kwaliteit van de coating bepalen. Theoretische analyse, experimentele coatingtechnieken, vloeistofdynamica-eindige-elemententechnieken en andere onderzoeksmethoden kunnen worden gebruikt om het coatingvenster te bestuderen, wat het procesbereik is voor stabiele coating en het verkrijgen van uniforme coating.

Substraat - Koperfolie en aluminiumfolie

Oppervlaktespanning: De oppervlaktespanning van koper-aluminiumfolie moet hoger zijn dan de oppervlaktespanning van de gecoate oplossing, anders zal de oplossing moeilijk plat op het substraat verspreid kunnen worden, wat resulteert in een slechte coatingkwaliteit. Eén principe dat moet worden gevolgd is dat de oppervlaktespanning van de te coaten oplossing 5 dynes/cm lager moet zijn dan die van het substraat, hoewel dit slechts een ruwe schatting is. De oppervlaktespanning van de oplossing en het substraat kan worden aangepast door de formule of oppervlaktebehandeling van het substraat aan te passen. Het meten van de oppervlaktespanning tussen de twee moet ook worden beschouwd als een kwaliteitscontroletest.

Uniforme dikte: Bij een proces dat vergelijkbaar is met een schrapercoating, kan een ongelijkmatige dikte van het dwarsoppervlak van het substraat leiden tot een ongelijkmatige laagdikte. Omdat bij het coatingproces de coatingdikte wordt bepaald door de opening tussen de schraper en het substraat. Als er horizontaal een lagere dikte van het substraat is, zal er meer oplossing door dat gebied gaan, en zal de laagdikte ook dikker zijn, en omgekeerd. Als de diktefluctuatie van het substraat zichtbaar is op de diktemeter, zal de uiteindelijke filmdiktefluctuatie dezelfde afwijking vertonen. Bovendien kan een zijdelingse dikteafwijking ook leiden tot defecten in de wikkeling. Om dergelijke defecten te voorkomen, is het dus belangrijk om de dikte van de grondstoffen te controleren

Statische elektriciteit: Op de coatinglijn wordt veel statische elektriciteit gegenereerd op het oppervlak van het substraat wanneer het wordt aangebracht op het afwikkelen en passeren van rollen. De opgewekte statische elektriciteit kan gemakkelijk lucht en de aslaag op de wals adsorberen, waardoor coatingdefecten ontstaan. Tijdens het ontladingsproces kan statische elektriciteit ook elektrostatische defecten op het coatingoppervlak veroorzaken, en ernstiger: het kan zelfs brand veroorzaken. Als de luchtvochtigheid in de winter laag is, zal het probleem van statische elektriciteit op de coatinglijn prominenter zijn. De meest effectieve manier om dergelijke defecten te verminderen is door de luchtvochtigheid zo hoog mogelijk te houden, de coatingdraad te aarden en enkele antistatische apparaten te installeren.

Reinheid: Onzuiverheden op het oppervlak van het substraat kunnen enkele fysieke defecten veroorzaken, zoals uitsteeksels, vuil, enz. Bij het productieproces van substraten is het dus noodzakelijk om de reinheid van grondstoffen goed te controleren. Online membraanreinigingsrollen zijn een relatief effectieve methode voor het verwijderen van substraatverontreinigingen. Hoewel niet alle onzuiverheden op het membraan kunnen worden verwijderd, kan het de kwaliteit van de grondstoffen effectief verbeteren en verliezen verminderen.

04

Defectkaart van lithiumbatterijpalen

【1】 Beldefecten in de negatieve elektrodecoating van lithium-ionbatterijen

De negatieve elektrodeplaat met belletjes in de linkerafbeelding en de 200x vergroting van de scanning-elektronenmicroscoop in de rechterafbeelding. Tijdens het proces van mengen, transporteren en coaten kunnen stof, lange vlokken en andere vreemde voorwerpen zich in de coatingoplossing mengen of op het oppervlak van de natte coating vallen. De oppervlaktespanning van de coating wordt op dit punt beïnvloed door externe krachten, waardoor veranderingen in de intermoleculaire krachten ontstaan, wat resulteert in een milde overdracht van de slurry. Na het drogen worden cirkelvormige markeringen gevormd met een dun midden.

【2】 Gaatje

Eén daarvan is het genereren van bellen (roerproces, transportproces, coatingproces); Het pinhole-defect veroorzaakt door luchtbellen is relatief eenvoudig te begrijpen. Bellen in de natte film migreren van de binnenlaag naar het oppervlak van de film en scheuren op het oppervlak om een ​​gaatjesdefect te vormen. Bellen worden voornamelijk veroorzaakt door een slechte vloeibaarheid, een slechte egalisatie en een slechte afgifte van bellen tijdens meng-, vloeistoftransport- en coatingprocessen.

【3】 Krassen

Mogelijke oorzaken: vreemde voorwerpen of grote deeltjes die vast komen te zitten in de nauwe spleet of coatingspleet, slechte substraatkwaliteit, waardoor vreemde voorwerpen de coatingspleet tussen de coatingrol en de achterrol blokkeren, en schade aan de mallip.

【4】 Dikke rand

De reden voor de vorming van dikke randen wordt veroorzaakt door de oppervlaktespanning van de slurry, waardoor de slurry naar de onbeklede rand van de elektrode migreert en na het drogen dikke randen vormt.

【5】 Geaggregeerde deeltjes op het negatieve elektrodeoppervlak

Formule: Bolvormig grafiet+SUPER C65+CMC+gedestilleerd water

Macromorfologie van polarisatoren met twee verschillende roerprocessen: glad oppervlak (links) en aanwezigheid van een groot aantal kleine deeltjes op het oppervlak (rechts)

Formule: Bolvormig grafiet+SUPER C65+CMC/SBR+Gedistilleerd water

Vergrote morfologie van kleine deeltjes op het oppervlak van de elektrode (a en b): Aggregaten van geleidende middelen, niet volledig verspreid.

Vergrote morfologie van polarisatoren met glad oppervlak: het geleidende middel is volledig gedispergeerd en gelijkmatig verdeeld.

【6】 Geagglomereerde deeltjes op het positieve elektrodeoppervlak

Formule: NCA+acetyleenzwart+PVDF+NMP

Tijdens het mengproces is de omgevingsvochtigheid te hoog, waardoor de slurry geleiachtig wordt, het geleidende middel niet volledig wordt gedispergeerd en er zich na het walsen een groot aantal deeltjes op het oppervlak van de polarisator bevindt.

【7】 Scheuren in de polaire platen van het watersysteem

Formule: NMC532/roet/bindmiddel=90/5/5 gew.%, water/isopropanol (IPA) oplosmiddel

Optische foto's van oppervlaktescheuren in polarisatoren, met coatingdichtheden van respectievelijk (a) 15 mg/cm2, (b) 17,5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 en (d) 25 mg/cm2. Dikke polarisatoren zijn gevoeliger voor scheuren.

【8】 Krimp op het oppervlak van de polarisator

Formule: vlokgrafiet+SP+CMC/SBR+gedistilleerd water

De aanwezigheid van verontreinigende deeltjes op het oppervlak van de folie resulteert in een gebied met lage oppervlaktespanning van de natte film op het oppervlak van de deeltjes. De vloeistoffilm stoot uit en migreert naar de omtrek van de deeltjes, waardoor krimppuntdefecten ontstaan.

【9】 Krassen op het oppervlak van de elektrode

Formule: NMC532+SP+PVdF+NMP

Extrusiecoating met smalle naad, met grote deeltjes op de snijkant die folielekkage en krassen op het oppervlak van de elektrode veroorzaken.

【10】 Coating verticale strepen

Formule: NCA+SP+PVdF+NMP

In de latere fase van het transfercoaten neemt de waterabsorptieviscositeit van de slurry toe en nadert tijdens het coaten de bovengrens van het coatingvenster, wat resulteert in een slechte egalisatie van de slurry en de vorming van verticale strepen.

【11】 Rolpersscheuren in het gebied waar de polaire film niet volledig is gedroogd

Formule: vlokgrafiet+SP+CMC/SBR+gedistilleerd water

Tijdens het coaten is het middelste gedeelte van de polarisator niet volledig droog en tijdens het walsen migreert de coating, waardoor strookvormige scheuren ontstaan.

【12】 Randrimpels bij het persen van polaire rollen

Het fenomeen van dikke randen gevormd door coating, walspersen en kreuken van de coatingranden

【13】 Negatieve elektrode-snijcoating losgemaakt van folie

Formule: natuurlijk grafiet+acetyleenzwart+CMC/SBR+gedestilleerd water, verhouding werkzame stof 96%

Wanneer de poolschijf wordt doorgesneden, komen de coating en de folie los.

【14】 Randsnijbramen

Tijdens het snijden van de positieve elektrodeschijf leidt een onstabiele spanningsregeling tot de vorming van foliebramen tijdens het secundaire snijden.

【15】 Polar slice snijdende golfrand

Tijdens het snijden van de negatieve elektrodeschijf worden, als gevolg van ongepaste overlap en druk van de snijbladen, golfranden en loslating van de coating van de incisie gevormd.

【16】 Andere veel voorkomende coatingdefecten zijn onder meer luchtinfiltratie, laterale golven, verzakking, beekje, uitzetting, waterschade, enz.

Defecten kunnen optreden in elke verwerkingsfase: voorbereiding van de coating, productie van het substraat, bewerking van het substraat, coatinggebied, drooggebied, snij-, slit-, walsproces, enz. Wat is de algemeen logische methode om defecten op te lossen?

1. Tijdens het proces van proefproductie tot productie is het noodzakelijk om de productformule, het coating- en droogproces te optimaliseren en een relatief goed of breed procesvenster te vinden.

2. Gebruik enkele kwaliteitscontrolemethoden en statistische hulpmiddelen (SPC) om de kwaliteit van producten te controleren. Door online de stabiele laagdikte te monitoren en te controleren, of door een visueel inspectiesysteem (Visual System) te gebruiken om te controleren op gebreken aan het coatingoppervlak.

3. Wanneer er productdefecten optreden, pas dan het proces tijdig aan om herhaalde defecten te voorkomen.

05

Uniformiteit van de coating

De zogenaamde uniformiteit van de coating verwijst naar de consistentie van de verdeling van de coatingdikte of de hoeveelheid lijm binnen het coatinggebied. Hoe beter de consistentie van de laagdikte of de hoeveelheid lijm, hoe beter de uniformiteit van de coating, en omgekeerd. Er bestaat geen uniforme meetindex voor coatinguniformiteit, die kan worden gemeten aan de hand van de afwijking of procentuele afwijking van de coatingdikte of hoeveelheid lijm op elk punt in een bepaald gebied ten opzichte van de gemiddelde coatingdikte of hoeveelheid lijm in dat gebied, of aan de hand van de gemiddelde coatingdikte of hoeveelheid lijm in dat gebied. verschil tussen de maximale en minimale laagdikte of hoeveelheid lijm in een bepaald gebied. De laagdikte wordt doorgaans uitgedrukt in µm.

De uniformiteit van de coating wordt gebruikt om de algehele coatingconditie van een gebied te evalueren. Maar bij de daadwerkelijke productie gaat het ons meestal meer om de uniformiteit in zowel de horizontale als de verticale richting van het substraat. De zogenaamde horizontale uniformiteit verwijst naar de uniformiteit van de coatingbreedterichting (of de horizontale richting van de machine). De zogenaamde longitudinale uniformiteit verwijst naar de uniformiteit in de richting van de coatinglengte (of de bewegingsrichting van het substraat).

Er zijn aanzienlijke verschillen in de omvang, beïnvloedende factoren en controlemethoden voor horizontale en verticale lijmaanbrengfouten. In het algemeen geldt: hoe groter de breedte van het substraat (of de coating), hoe moeilijker het is om de laterale uniformiteit te controleren. Gebaseerd op jarenlange praktijkervaring met online coaten, is zijdelingse uniformiteit meestal gemakkelijk te garanderen wanneer de substraatbreedte kleiner is dan 800 mm; Wanneer de breedte van het substraat tussen 1300-1800 mm ligt, kan de laterale uniformiteit vaak goed worden gecontroleerd, maar er is een zekere moeilijkheid en een aanzienlijk niveau van professionaliteit vereist; Wanneer de substraatbreedte groter is dan 2000 mm, is het controleren van de laterale uniformiteit erg moeilijk, en slechts een paar fabrikanten kunnen hier goed mee omgaan. Wanneer de productiebatch (dat wil zeggen de coatinglengte) toeneemt, kan longitudinale uniformiteit een grotere moeilijkheid of uitdaging worden dan transversale uniformiteit.