תהליך חזיתי בייצור סוללות ליתיום

לסוללות יתיום-יון מגוון רחב של יישומים. על פי סיווג תחומי היישום, ניתן לחלק אותן לסוללה לאגירת אנרגיה, סוללת חשמל וסוללה למוצרי אלקטרוניקה צרכניים.

• סוללה לאגירת אנרגיה מכסה אחסון אנרגיה לתקשורת, אחסון אנרגיה לחשמל, מערכות אנרגיה מבוזרות וכו';
• סוללות חשמל משמשות בעיקר בתחום החשמל, ומשרתות את השוק כולל כלי רכב אנרגיה חדשים, מלגזות חשמליות וכו';
• סוללות למוצרי אלקטרוניקה צרכניים מכסה את תחום הצריכה והתעשייה, כולל מדידה חכמה, אבטחה חכמה, תחבורה חכמה, האינטרנט של הדברים ועוד.

סוללת ליתיום-יון היא מערכת מורכבת, המורכבת בעיקר מאנודה, קתודה, אלקטרוליט, מפריד, קולט זרם, חומר מקשר, חומר מוליך וכן הלאה, הכוללת תגובות הכוללות תגובה אלקטרוכימית של האנודה והקתודה, הולכת יוני ליתיום והולכה אלקטרונית, כמו גם דיפוזיה של חום.

תהליך הייצור של סוללות ליתיום הוא ארוך יחסית, וכולל יותר מ-50 תהליכים.

ניתן לחלק סוללות ליתיום לסוללות גליליות, סוללות אלומיניום מרובעות, סוללות פאוץ' וסוללות להב לפי הצורה. ישנם כמה הבדלים בתהליך הייצור שלהן, אך באופן כללי ניתן לחלק את תהליך ייצור סוללות הליתיום לתהליך קדמי (ייצור אלקטרודות), תהליך ביניים (סינתזת תאים) ותהליך אחורי (יצירה ואריזה).

במאמר זה יוצג התהליך הקדמי של ייצור סוללות ליתיום.

מטרת הייצור של תהליך חזיתי היא להשלים את ייצור האלקטרודה (אנודה וקתודה). התהליך העיקרי כולל: ערבוב, ציפוי, קלנדרציה, חריצת חריצים וחיתוך במות.

ערבוב/התכה

ערבוב/התרחפות הוא ערבוב אחיד של חומרי הסוללה המוצקים של האנודה והקתודה ולאחר מכן הוספת ממס ליצירת התרחיף. ערבוב התרחיף הוא נקודת ההתחלה של תחילת הייצור, והוא הקדמה להשלמת הציפוי, הקלנדרינג ותהליכים אחרים הבאים.

תרחיף סוללות ליתיום מחולק לתרחיף אלקטרודה חיובית ותרחיף אלקטרודה שלילית. יש להוסיף חומרים פעילים, פחמן מוליך, מעבה, חומר מקשר, תוסף, ממס וכו' למיקסר בפרופורציה. על ידי ערבוב, מתקבל פיזור אחיד של תרחיף מוצק-נוזל לציפוי.

ערבוב איכותי הוא הבסיס להשלמה איכותית של התהליך העוקב, אשר ישפיע באופן ישיר או עקיף על ביצועי הבטיחות והביצועים האלקטרוכימיים של הסוללה.

שִׁכבָה

ציפוי הוא תהליך של ציפוי החומר הפעיל החיובי והחומר הפעיל השלילי על יריעות אלומיניום ונחושת בהתאמה, ושילובם עם חומרים מוליכים וחומר מקשר ליצירת יריעת אלקטרודה. לאחר מכן, הממסים מוסרים על ידי ייבוש בתנור כך שהחומר המוצק נקשר למצע ליצירת סליל יריעת אלקטרודה חיובית ושלילית.

ציפוי קתודה ואנודה

חומרי קתודה: ישנם שלושה סוגי חומרים: מבנה למינציה, מבנה ספינל ומבנה אוליבין, התואמים לחומרים טרנריים (וליתיום קובלט), ליתיום מנגנט (LiMn2O4) וליתיום ברזל פוספט (LiFePO4) בהתאמה.

חומרי אנודה: כיום, חומרי האנודה המשמשים בסוללות ליתיום-יון מסחריות כוללים בעיקר חומרי פחמן וחומרים שאינם פחמן. ביניהם, חומרי פחמן כוללים אנודת גרפיט, שהיא הנפוצה ביותר כיום, ואנודת פחמן לא מסודרת, פחמן קשה, פחמן רך וכו'; חומרים שאינם פחמן כוללים אנודה מבוססת סיליקון, ליתיום טיטנאט (LTO) וכן הלאה.

כחלק מרכזי בתהליך החזיתי, איכות הביצוע של תהליך הציפוי משפיעה עמוקות על העקביות, הבטיחות ומחזור החיים של הסוללה המוגמרת.

קלנדרינג

האלקטרודה המצופה נדחסת עוד יותר באמצעות גליל, כך שהחומר הפעיל והקולט נמצאים במגע הדוק זה עם זה, מה שמקטין את מרחק התנועה של האלקטרונים, מקטין את עובי האלקטרודה ומגדיל את קיבולת הטעינה. במקביל, זה יכול להוריד את ההתנגדות הפנימית של הסוללה, להגביר את המוליכות ולשפר את שיעור ניצול הנפח של הסוללה כדי להגדיל את קיבולת הסוללה.

שטוחות האלקטרודה לאחר תהליך הקלנדרציה תשפיע ישירות על השפעת תהליך החיתוך שלאחר מכן. אחידות החומר הפעיל של האלקטרודה תשפיע גם היא בעקיפין על ביצועי התא.

חיתוך

חיתוך הוא חיתוך אורכי רציף של סליל אלקטרודה רחב לפרוסות צרות ברוחב הנדרש. בחיתוך, האלקטרודה נתקלת בפעולת גזירה ומתפרקת. שטוחות הקצה לאחר החיתוך (ללא גרגירים וכיפוף) היא המפתח לבחינת הביצועים.

תהליך ייצור האלקטרודה כולל ריתוך לשונית האלקטרודה, הנחת נייר דבק מגן, עטיפת לשונית האלקטרודה וחיתוך לשונית האלקטרודה באמצעות לייזר לצורך תהליך הליפוף הבא. חיתוך שטביעות הוא הטבעה ועיצוב של האלקטרודה המצופה לצורך התהליך הבא.

בשל הדרישות הגבוהות לביצועי בטיחות של סוללות ליתיום-יון, דיוק, יציבות ואוטומציה של ציוד נדרשים מאוד בתהליך ייצור סוללות ליתיום.

כחברה מובילה בתחום ציוד למדידת אלקטרודות ליתיום, Dacheng Precision השיקה סדרת מוצרים למדידת אלקטרודות בתהליך הקדמי של ייצור סוללות ליתיום, כגון מד צפיפות שטח באמצעות קרני X/β, מד עובי וצפיפות שטח באמצעות CDM, מד עובי לייזר וכן הלאה.

• מד צפיפות שטח סופר רנטגן

הוא ניתן להתאמה למדידת רוחב ציפוי של מעל 1600 מ"מ, תומך בסריקה במהירות גבוהה במיוחד ומזהה מאפיינים מפורטים כגון אזורים דקים, שריטות וקצוות קרמיים. הוא יכול לסייע בציפוי בלולאה סגורה.

•  מד צפיפות שטח של קרני X/β

הוא משמש בתהליך ציפוי אלקטרודות סוללה ובתהליך ציפוי קרמי של מפריד לביצוע בדיקות מקוונות של צפיפות השטח של האובייקט הנמדד.

•  עובי CDM ומד צפיפות שטח

ניתן ליישם זאת בתהליך הציפוי: זיהוי מקוון של מאפיינים מפורטים של אלקטרודות, כגון ציפוי חסר, מחסור בחומר, שריטות, קווי מתאר של אזורים דקים, זיהוי עובי AT9 וכו';

•  מערכת מדידה סינכרונית מרובת מסגרות

הוא משמש לתהליך ציפוי הקתודה והאנודה של סוללות ליתיום. הוא משתמש במסגרות סריקה מרובות כדי לבצע מדידות מעקב סינכרוניות על האלקטרודות. מערכת מדידה של מעקב סינכרוני בעלת חמש מסגרות מסוגלת לבדוק את השכבה הרטובה, כמות הציפוי נטו והאלקטרודה.

•  מד עובי לייזר

הוא משמש לגילוי האלקטרודה בתהליך הציפוי או תהליך הקלנדרינג של סוללות ליתיום.

• מד עובי וממד לא מקוון

הוא משמש לזיהוי עובי ומידות של אלקטרודות בתהליך הציפוי או תהליך הקלנדרינג של סוללות ליתיום, מה שמשפר את היעילות והעקביות.