A les primeres línies de producció de la barreja, el recobriment i el posterior muntatge de purins de bateries de liti, la sedimentació de purins, la gelificació (consistencia de gelatina-) i els bloquejos del capçal de recobriment són tres "malalties" persistents que afecten els enginyers de processos. Aquests problemes poden desencadenar encara més reaccions en cadena com el trencament dels elèctrodes, la delaminació de la pel·lícula i la deformació de la bateria. Aquestes inestabilitats no només condueixen a una mala consistència dels elèctrodes, sinó que també arrosseguen directament el rendiment i la capacitat de producció.
Sovint, tendim a ajustar el procés de barreja o el contingut sòlid, passant per alt el paper crític d'un component menor però fonamental a la fórmula: l'aglutinant. Aquest article començarà a partir dels micro-mecanismes dels aglutinants, desentrarà les complexitats capa per capa i proporcionarà una guia de resolució de problemes i una solució "única-per als problemes esmentats anteriorment.
I. Com abordar la sedimentació de purins?
Causes:
(1) El tipus de CMC seleccionat no és adequat. El grau de substitució (DS) i el pes molecular de CMC poden afectar l'estabilitat de la purina. Per exemple, el CMC amb baix DS té una hidrofilicitat pobra però una bona humectabilitat per al grafit; no obstant això, ofereix una feble capacitat de suspensió de purins.
(2) Ús insuficient de CMC, sense suspendre eficaçment els components de purins.
(3) Massa CMC que participa en el procés de pastat, la qual cosa condueix a una manca de CMC lliure disponible entre les partícules per a la suspensió, que sovint provoca una mala estabilitat de la purina.
(4) Les forces de tall mecàniques elevades o les fluctuacions del pH de la purí poden provocar la demulsificació de SBR, donant lloc a la sedimentació de la purina.
Solucions:
(1) Canviar o barrejar-se amb CMC amb DS elevat i pes molecular gran. Per exemple, l'ús d'una combinació de WSC (baix pes molecular, baix DS, bona humectabilitat del grafit, suspensió feble) i CMC2200 en fórmules de producció en massa pot millorar significativament l'estabilitat de les purins.
(2) Augmentar la dosi de CMC és un dels mitjans més eficaços per millorar l'estabilitat dels purins, però cal trobar un equilibri tenint en compte la capacitat del procés i el rendiment de la bateria a baixa-temperatura.
(3) La reducció de la quantitat de CMC implicada en el pastat i l'augment del contingut de CMC lliure poden millorar l'estabilitat del purí fins a cert punt.
(4) Després d'afegir SBR al sistema de purins, reduïu la velocitat d'agitació de la batedora planetària per evitar la demulsificació.
II. Bloqueig del filtre durant la filtració: què fer?
Causes:
(1) La mala humectació dels materials actius, provocant una dispersió inadequada.
(2) Desemulsificació SBR que causa fallades de filtració.
Solucions:
(1) Adoptar un procés de pastat per millorar la dispersió.
(2) Després d'afegir SBR al sistema de purins, reduïu la velocitat d'agitació per evitar la demulsificació.
III. Com manejar la gelació de purins?
Causes:La gelificació es divideix principalment en dues categories: gel físic i gel químic.
(1) Gel físic: causat per material actiu del càtode, negre de carboni conductor (SP) o dissolvent NMP que absorbeix la humitat o una humitat ambiental excessiva. Les partícules estan envoltades per cadenes de polímers de PVDF. Quan el contingut d'aigua supera els límits, el moviment de la cadena es veu obstaculitzat, provocant un entrellaç entre les cadenes, una reducció de la fluïdesa del purí i la gelificació.
(2) Gel químic: propens a produir-se durant el processament o l'emmagatzematge de materials actius d'alt-níquel o d'alta-alcalinitat. En l'entorn d'alt pH creat pels residus bàsics, la columna vertebral del polímer de PVDF pateix fàcilment una deshidrofluoració (pèrdua de HF), formant dobles enllaços. L'aigua o les amines existents en el dissolvent poden atacar aquests dobles enllaços, provocant-enllaços creuats. Això redueix molt la capacitat de producció i deteriora el rendiment de la bateria. En general, la gelificació empitjora amb l'augment de l'alcalinitat del material actiu.
Solucions:
(1) Gel físic: controla la gestió estricta de la humitat de les matèries primeres i el medi ambient, i utilitzant velocitats d'agitació adequades durant l'emmagatzematge de purins.
(2) Gel químic: es pot mitigar mitjançant els mètodes següents:
* Assecar els materials actius i el carbó conductor abans de la dispersió per eliminar l'aigua adsorbida; utilitzeu NMP de major puresa.
* Controlar estrictament la humitat ambiental durant el procés de mescla.
* Font de materials NCM amb superfície reduïda lliure de Li per reduir l'alcalinitat.
* Desenvolupa PVDF anti-gel. L'estratègia de desenvolupament consisteix a empeltar altres unitats de monòmers (per exemple, vinil èter, hexafluoropropilè, tetrafluoroetilè) per substituir H/F a la unitat -CH2{-CF2-, inhibint la pèrdua contínua d'HF i reduint els llocs de reticulació.
* Desenvolupa aglutinants catòdics que no siguin-PVDF. Com que els mètodes anteriors no poden inhibir completament la deshidrofluoració de PVDF, els riscos es mantenen quan s'utilitzen càtodes altament alcalins (alt-níquel, NCA) o additius funcionals (Li2CO3 alcalí). El desenvolupament d'aglutinants alternatius pretén resoldre aquest problema a fons.
IV. Aspecte deficient de l'elèctrode recobert (esquerdes)
Causes:
(1) El propi aglutinant té una temperatura de transició vítrea (Tg) alta, cosa que fa que la seva temperatura de formació-de pel·lícula superi la temperatura de recobriment. La formació de pel·lícula difícil condueix al trencament dels elèctrodes.
(2) En els aglutinants a base d'aigua, la contracció severa durant la pèrdua d'aigua durant el curat pot provocar l'esquerda general de l'elèctrode, per exemple, en sistemes de PAA aquosos.
Exemple: els polímers d'àcid poliacrílic són rígids amb poca flexibilitat. Durant la fabricació d'elèctrodes, es pot produir una gran-àrea d'enrotllament i esquerdament, cosa que comporta un rendiment de producció molt baix en recobriment i bobinat.
Elèctrode PAA que mostra ondulacions i esquerdes durant el processament
Solucions:
(1) Si l'aspecte deficient del recobriment es deu a l'alta temperatura de formació de pel·lícula-de l'aglutinant, canvieu a un aglutinant amb una temperatura de formació-de pel·lícula més baixa.
(2) Per als sistemes de PAA aquosos, afegir EC com a plastificant ajuda significativament a millorar el trencament dels elèctrodes.
Prova de mandril que demostra una millora de la flexibilitat de l'elèctrode
V. Aspecte deficient de l'elèctrode recobert (bombolles)
Causes:
(1) Les fibres insolubles en CMC poden provocar bombolles granulars durant el recobriment.
(2) Emulsionant excessiu en SBR. Els emulsionants actuen com a tensioactius, estabilitzant la tensió superficial de les bombolles i evitant l'eliminació de les bombolles.
Escuma emulsionant estabilitzant
Solucions:
(1) Utilitzeu CMC amb baix contingut insoluble, per exemple, substituint CMC2200 per MAC500 en algunes fórmules de producció de vehicles elèctrics.
(2) Reduïu la quantitat d'emulsionant en el SBR utilitzat.
VI. Gassatge de la bateria a alta temperatura?
Causa:Quan les molècules de polímer contenen molts grups funcionals polars, tendeixen a absorbir la humitat. Aquesta humitat pot reaccionar amb ions de liti durant l'emmagatzematge a alta-temperatura, generant hidrogen gasós.
Solució:Controleu el contingut d'humitat dins de la cèl·lula i/o utilitzeu processos de formació d'alta-temperatura i-alt-estat-de càrrega (SOC).
Exemple:Les cèl·lules que utilitzaven l'aglutinant SD-3 van mostrar una inflor significativa a causa del gas durant l'emmagatzematge a 85 graus. Controlant la humitat cel·lular per sota de 100 ppm i utilitzant un procés de formació d'alt SOC, el problema d'emmagatzematge a alta temperatura es va millorar notablement.
VII. S'esvaeix ràpidament la capacitat en cicles d'alta-temperatura?
Causes:
(1) Inflor excessiva de l'aglutinant a alta temperatura, interrompent la xarxa conductora contínua entre partícules.
(2) Poca estabilitat de l'aglutinant a alta temperatura, provocant una dissolució o una reacció química amb Li.
(3) Després d'una exposició a alta-temperatura a l'electròlit, la força de l'aglutinant disminueix i no pot suprimir eficaçment la polverització del material actiu durant el cicle.
Solucions:
(1) Seleccioneu o barregeu aglutinants amb una Tg més alta, reduint adequadament la seva afinitat amb l'electròlit per minimitzar els danys per inflor a -alta temperatura.
(2) Per als materials d'ànode de silici amb una gran expansió cíclica, utilitzeu aglutinants de mòdul elevat-com els tipus PA/PI/PAI per suprimir o reduir eficaçment el trencament i la polverització de partícules de silici durant el cicle.
VIII. Bateria propensa a la deformació?
Causa:Quan l'aglutinant de polímer és massa rígid, crea una tensió interna significativa dins de l'elèctrode. Durant els cicles de càrrega/descàrrega, l'alliberament d'aquesta tensió interna pot provocar torsió i deformació de l'elèctrode, que finalment condueix a la deformació de la bateria.
Solució:Afegiu plastificants per reduir l'estrès intern de l'elèctrode.
Exemple:El lligant BI-4 va mostrar un excel·lent rendiment cinètic en els CE, però va provocar una deformació severa de la bateria. Per mitigar això, es va introduir un additiu EC al 2% en pes durant la barreja de purins. EC, un plastificant de molècules petites, es volatilitza completament durant l'assecat de l'elèctrode, per la qual cosa no té cap impacte significatiu en el rendiment elèctric de la cèl·lula alhora que millora considerablement el problema de la deformació.
Conclusió
Tot i que els aglutinants constitueixen només una "gota a l'oceà" de la fórmula de l'elèctrode, tenen la clau per a la reologia dels purins i l'estabilitat de la dispersió. Enfrontant-se a reptes com la sedimentació, la gelificació, els bloquejos i els seus problemes derivats, com ara el trencament d'elèctrodes i la gasació a alta-temperatura, els ajustos del procés uni-dimensionals sovint només tracten els símptomes, no la causa principal. Només entenent profundament l'estructura molecular de l'aglutinant, les característiques de dissolució i la interacció amb els materials actius podem identificar amb precisió la "malaltia" i prescriure el remei adequat. Esperem que l'enfocament proporcionat en aquest article ofereixi una referència tècnica valuosa per optimitzar el vostre sistema de purins, ajustar els paràmetres del procés i millorar la qualitat de la fabricació d'elèctrodes.
Sobre TOB NEW ENERGY
TOB NEW ENERGY és un proveïdor líder de solucions integrals per a la indústria de les bateries i els sectors d'R+D. Estem especialitzats en oferir línies de producció de bateries d'extrem a --extrem, línies pilot i línies experimentals adaptades al vostre pressupost específic i als vostres requisits de sortida. Els nostres serveis abasten des del disseny i construcció d'instal·lacions fins a la selecció d'equips, subministrament, instal·lació, posada en marxa i formació del personal.
Estem orgullosos d'oferir suport tecnològic de bateries d'avantguarda-, inclosa experiència en bateries d'estat sòlid-, bateries d'ions-sòdics, bateries de liti-sofre i tecnologia d'elèctrodes secs. El nostre equip dedicat d'experts en bateries ofereix orientació tècnica per millorar el rendiment del producte en termes de capacitat, capacitat de velocitat, vida útil i seguretat.
A més, subministrem una àmplia gamma d'equips personalitzats per a totes les etapes, des del laboratori fins al pilot i la producció en massa, juntament amb una cartera completa de materials de bateries avançats per donar suport als vostres esforços d'investigació i desenvolupament. Confieu en TOB NEW ENERGY per a totes les vostres necessitats de fabricació de bateries i R+D.
Contacta'ns avui mateixper parlar de com podem impulsar la vostra innovació.
