1. Der Einfluss des Beschichtungsprozesses auf die Leistung von Lithiumbatterien
Unter Polarbeschichtung versteht man im Allgemeinen einen Prozess, bei dem eine gerührte Aufschlämmung gleichmäßig auf einen Stromkollektor aufgetragen und die organischen Lösungsmittel in der Aufschlämmung getrocknet werden. Der Beschichtungseffekt hat einen erheblichen Einfluss auf die Batteriekapazität, den Innenwiderstand, die Lebensdauer und die Sicherheit und sorgt für eine gleichmäßige Beschichtung der Elektrodenbleche. Die Auswahl der Beschichtungsmethoden und Kontrollparameter hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien, der sich hauptsächlich in Folgendem äußert:
1) Temperaturkontrolle der Beschichtungstrocknung: Wenn die Trocknungstemperatur während der Beschichtung zu niedrig ist, kann eine vollständige Trocknung der Elektrode nicht gewährleistet werden. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann es aufgrund der schnellen Verdunstung organischer Lösungsmittel im Inneren der Elektrode zu Rissen, Abblättern und anderen Phänomenen auf der Oberflächenbeschichtung der Elektrode kommen.
2) Beschichtungsoberflächendichte: Wenn die Beschichtungsoberflächendichte zu niedrig ist, erreicht die Batteriekapazität möglicherweise nicht die Nennkapazität. Wenn die Beschichtungsoberflächendichte zu hoch ist, kann es leicht zu einer Verschwendung von Inhaltsstoffen kommen. In schweren Fällen, wenn die Kapazität der positiven Elektrode zu hoch ist, können sich aufgrund der Lithiumausfällung Lithiumdendriten bilden und den Batterieseparator durchdringen, was einen Kurzschluss verursacht und ein Sicherheitsrisiko darstellt.
3) Beschichtungsgröße: Wenn die Beschichtungsgröße zu klein oder zu groß ist, kann dies dazu führen, dass die positive Elektrode im Inneren der Batterie nicht vollständig von der negativen Elektrode bedeckt wird. Während des Ladevorgangs werden Lithiumionen von der positiven Elektrode eingelagert und gelangen in den Elektrolyten, der nicht vollständig von der negativen Elektrode bedeckt ist. Die tatsächliche Kapazität der positiven Elektrode kann nicht effizient genutzt werden und in schweren Fällen können sich innerhalb der Batterie Lithiumdendriten bilden, die leicht den Separator durchstoßen und den internen Schaltkreis der Batterie beschädigen können;
4) Beschichtungsdicke: Wenn die Beschichtungsdicke zu dünn oder zu dick ist, wirkt sich dies auf den nachfolgenden Elektrodenwalzprozess aus und kann die gleichbleibende Leistung der Batterieelektroden nicht garantieren.
Darüber hinaus ist die Elektrodenbeschichtung für die Sicherheit von Batterien von großer Bedeutung. Vor der Beschichtung sollten 5S-Arbeiten durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass während des Beschichtungsprozesses keine Partikel, Ablagerungen, Staub usw. in die Elektrode gelangen. Wenn Schmutz darin eingemischt wird, kann es zu Mikrokurzschlüssen im Inneren der Batterie und in schweren Fällen zu einem Brand und einer Explosion der Batterie kommen.
2. Auswahl der Beschichtungsausrüstung und des Beschichtungsprozesses
Der allgemeine Beschichtungsprozess umfasst: Abwickeln → Spleißen → Ziehen → Spannungsregelung → Beschichten → Trocknen → Korrektur → Spannungsregelung → Korrektur → Aufwickeln und andere Prozesse. Der Beschichtungsprozess ist komplex und es gibt auch viele Faktoren, die den Beschichtungseffekt beeinflussen, wie z. B. die Fertigungsgenauigkeit der Beschichtungsausrüstung, die Laufruhe des Gerätebetriebs, die Kontrolle der dynamischen Spannung während des Beschichtungsprozesses und die Größe der Luft Strömung während des Trocknungsprozesses und die Temperaturregelkurve. Daher ist die Wahl des geeigneten Beschichtungsverfahrens äußerst wichtig.
Im Allgemeinen müssen bei der Auswahl einer Beschichtungsmethode mehrere Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Anzahl der zu beschichtenden Schichten, die Dicke der Nassbeschichtung, die rheologischen Eigenschaften der Beschichtungsflüssigkeit, die erforderliche Beschichtungsgenauigkeit, der Beschichtungsträger oder das Substrat, und die Beschichtungsgeschwindigkeit.
Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren müssen auch die spezifischen Situationen und Eigenschaften der Elektrodenbeschichtung berücksichtigt werden. Die Eigenschaften der Elektrodenbeschichtung von Lithium-Ionen-Batterien sind: ① doppelseitige einschichtige Beschichtung; ② Die Nassbeschichtung der Aufschlämmung ist relativ dick (100-300 μm); ③ Die Aufschlämmung ist eine nicht-newtonsche Flüssigkeit mit hoher Viskosität; ④ Die Präzisionsanforderungen für die polare Filmbeschichtung sind ähnlich wie bei der Filmbeschichtung hoch. ⑤ Der Beschichtungsträger besteht aus Aluminiumfolie und Kupferfolie mit einer Dicke von 10-20 μm; ⑥ Im Vergleich zur Beschichtungsgeschwindigkeit des Films ist die Beschichtungsgeschwindigkeit des Polarisators nicht hoch. Unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren verwenden Laborgeräte im Allgemeinen einen Schabertyp, Verbraucher-Lithium-Ionen-Batterien verwenden meist einen Rollbeschichtungs-Transfertyp und Energiebatterien verwenden meist ein Schlitzextrusionsverfahren.
Schaberbeschichtung: Das Foliensubstrat läuft durch die Beschichtungswalze und berührt direkt den Schlammtank. Überschüssiger Schlamm wird auf das Foliensubstrat aufgetragen. Wenn das Substrat zwischen der Beschichtungswalze und dem Abstreifer hindurchläuft, bestimmt der Spalt zwischen dem Abstreifer und dem Substrat die Beschichtungsdicke. Gleichzeitig wird überschüssiger Schlamm abgekratzt und unter Rückfluss erhitzt, wodurch eine gleichmäßige Beschichtung auf der Oberfläche des Substrats entsteht. Die Haupttypen von Schabern sind Kommaschaber. Der Komma-Schaber ist eine der Schlüsselkomponenten im Beschichtungskopf. Es wird im Allgemeinen entlang der Mantellinie auf der Oberfläche der kreisförmigen Walze bearbeitet, um eine kommaartige Kante zu bilden. Dieser Schaber hat eine hohe Festigkeit und Härte und ermöglicht eine einfache Kontrolle der Beschichtungsmenge und -genauigkeit. Es eignet sich für Schlämme mit hohem Feststoffgehalt und hoher Viskosität.
Art der Walzenbeschichtungsübertragung: Die Beschichtungswalze dreht sich, um die Aufschlämmung anzutreiben, und die Übertragungsmenge der Aufschlämmung wird durch den Spalt zwischen dem Komma-Schaber eingestellt. Die Aufschlämmung wird durch die Drehung der Gegenwalze und der Beschichtungswalze auf das Substrat übertragen. Der Prozess ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Transferbeschichtung mit Walzenbeschichtung umfasst zwei grundlegende Prozesse: (1) Durch die Drehung der Beschichtungswalze wird die Aufschlämmung durch den Spalt zwischen den Messwalzen geleitet und bildet eine Aufschlämmungsschicht mit einer bestimmten Dicke. (2) Eine bestimmte Dicke der Schlammschicht wird auf das Folienmaterial übertragen, indem die Beschichtungswalze und die Gegenwalze in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, um eine Beschichtung zu bilden.
Schlitzextrusionsbeschichtung: Bei der präzisen Nassbeschichtungstechnologie, wie in Abbildung 3 dargestellt, besteht das Funktionsprinzip darin, dass die Beschichtungsflüssigkeit extrudiert und unter einem bestimmten Druck und einer bestimmten Durchflussrate entlang der Lücken der Beschichtungsform gesprüht und auf das Substrat übertragen wird. Im Vergleich zu anderen Beschichtungsmethoden bietet es viele Vorteile, wie z. B. schnelle Beschichtungsgeschwindigkeit, hohe Genauigkeit und gleichmäßige Nassdicke; Das Beschichtungssystem ist geschlossen, wodurch das Eindringen von Schadstoffen während des Beschichtungsprozesses verhindert werden kann. Der Ausnutzungsgrad der Aufschlämmung ist hoch und die Eigenschaften der Aufschlämmung können stabil gehalten werden. Es können mehrere Beschichtungsschichten gleichzeitig durchgeführt werden. Und es kann sich an unterschiedliche Viskositäts- und Feststoffgehaltsbereiche der Aufschlämmung anpassen und weist im Vergleich zum Transferbeschichtungsverfahren eine stärkere Anpassungsfähigkeit auf.
3. Beschichtungsfehler und Einflussfaktoren
Die Reduzierung von Beschichtungsfehlern, die Verbesserung der Beschichtungsqualität und -ausbeute sowie die Reduzierung der Kosten während des Beschichtungsprozesses sind wichtige Aspekte, die in der Beschichtungstechnologie untersucht werden müssen. Zu den häufigsten Problemen im Beschichtungsprozess gehören ein dicker Kopf und ein dünner Schwanz, dicke Kanten auf beiden Seiten, punktförmige dunkle Flecken, eine raue Oberfläche und freiliegende Folie. Die Dicke von Kopf und Schwanz kann durch die Öffnungs- und Schließzeit des Beschichtungsventils oder des intermittierenden Ventils eingestellt werden. Das Problem dicker Kanten kann unter den Aspekten der Eigenschaften der Aufschlämmung, der Einstellung des Beschichtungsspalts, der Fließgeschwindigkeit der Aufschlämmung usw. verbessert werden. Die Oberflächenrauheit, Unebenheiten und Streifen können durch Stabilisierung des Folienmaterials, Reduzierung der Geschwindigkeit und Anpassung des Winkels verbessert werden des Luftmessers.
Substrat - Gülle
Der Zusammenhang zwischen den grundlegenden physikalischen Eigenschaften der Aufschlämmung und der Beschichtung: Im eigentlichen Prozess hat die Viskosität der Aufschlämmung einen gewissen Einfluss auf den Beschichtungseffekt. Die Viskosität der hergestellten Aufschlämmung variiert je nach Elektrodenrohmaterial, Aufschlämmungsverhältnis und der Art des ausgewählten Bindemittels. Wenn die Viskosität der Aufschlämmung zu hoch ist, kann die Beschichtung oft nicht kontinuierlich und stabil durchgeführt werden und auch die Beschichtungswirkung wird beeinträchtigt.
Die Gleichmäßigkeit, Stabilität, Kanten- und Oberflächeneffekte der Beschichtungsflüssigkeit werden direkt durch die rheologischen Eigenschaften der Beschichtungsflüssigkeit bestimmt und bestimmen somit direkt die Qualität der Beschichtung. Theoretische Analysen, experimentelle Beschichtungstechniken, Finite-Elemente-Techniken der Fluiddynamik und andere Forschungsmethoden können zur Untersuchung des Beschichtungsfensters verwendet werden, das sich auf den Prozessbetriebsbereich bezieht, der eine stabile Beschichtung und eine gleichmäßige Beschichtung erreichen kann.
Substrat – Kupfer- und Aluminiumfolie
Oberflächenspannung: Die Oberflächenspannung der Kupferaluminiumfolie muss höher sein als die der beschichteten Lösung, da sich die Lösung sonst nur schwer gleichmäßig auf dem Substrat verteilen lässt, was zu einer schlechten Beschichtungsqualität führt. Ein zu befolgender Grundsatz besteht darin, dass die Oberflächenspannung der zu beschichtenden Lösung 5 dyn/cm niedriger sein sollte als die des Substrats, obwohl dies nur rau ist. Die Oberflächenspannung der Lösung und des Substrats kann durch Anpassung der Formel oder Oberflächenbehandlung des Substrats angepasst werden. Die Messung der Oberflächenspannung sollte bei beiden ebenfalls als Prüfpunkt für die Qualitätskontrolle einbezogen werden.
Gleichmäßige Dicke: Bei Verfahren, die der Rakelbeschichtung ähneln, kann eine ungleichmäßige Dicke über das Substrat zu einer ungleichmäßigen Beschichtungsdicke führen. Denn beim Beschichtungsprozess wird die Schichtdicke durch den Spalt zwischen Schaber und Untergrund gesteuert. Wenn die Dicke des Substrats in Querrichtung geringer ist, dringt mehr Lösung durch diesen Bereich und die Beschichtungsdicke wird dicker und umgekehrt. Wenn die Dickenschwankung des Substrats mit dem Dickenmessgerät beobachtet wird, weist auch die endgültige Schichtdickenschwankung dieselbe Abweichung auf. Darüber hinaus kann eine seitliche Dickenabweichung auch zu Wickelfehlern führen. Um solche Fehler zu vermeiden, ist es daher wichtig, die Dicke des Rohmaterials zu kontrollieren
Statische Elektrizität: In der Beschichtungslinie wird beim Abwickeln und Durchlaufen der Walze eine Menge statische Elektrizität auf der Oberfläche des Substrats erzeugt. Die erzeugte statische Elektrizität kann leicht Luft- und Ascheschichten auf der Walze adsorbieren und zu Beschichtungsfehlern führen. Während des Entladungsprozesses kann statische Elektrizität auch elektrostatische Erscheinungsbildfehler auf der Beschichtungsoberfläche verursachen und, was noch schlimmer ist, sogar Brände verursachen. Wenn die Luftfeuchtigkeit im Winter niedrig ist, ist das Problem der statischen Elektrizität in der Beschichtungsanlage deutlicher und schwerwiegender. Der effektivste Weg, solche Defekte zu reduzieren, besteht darin, die Luftfeuchtigkeit so hoch wie möglich zu halten, die Beschichtungsanlage zu erden und einige antistatische Geräte zu installieren.
Sauberkeit: Verunreinigungen auf der Oberfläche des Substrats können zu physikalischen Mängeln wie Unebenheiten, Schmutz usw. führen. Daher ist es im Produktionsprozess des Substrats notwendig, die Sauberkeit der Rohstoffe gut zu kontrollieren. Online-Filmreinigungswalzen sind eine relativ effektive Methode zur Entfernung von Substratverunreinigungen. Obwohl nicht alle Verunreinigungen auf der Membran entfernt werden können, kann dadurch die Qualität der Rohstoffe effektiv verbessert und Verluste reduziert werden.
4. Defektkarte der Lithiumbatterieelektroden
【1】 Blasendefekte in der negativen Elektrodenbeschichtung von Lithium-Ionen-Batterien
【2】 Lochblende
【3】 Kratzer
【4】 Dicker Rand
[5] Aggregierte Partikel auf der Oberfläche der negativen Elektrode
【6】 Aggregierte Partikel auf der Oberfläche der positiven Elektrode
[7] Polarriss im Wassersystem
[8] Oberflächenschrumpfung des Polarisators
【9】 Kratzer auf der Oberfläche des Polarisators
【10】 Bringen Sie vertikale Streifen an
[11] Rollrisse im teilweise getrockneten Bereich des Polarisators
【12】 Falten am Rand der Polarisatorwalze
[13] Schlitzbeschichtung und Folienablösung der negativen Elektrode
【14】 Polar-Slice-Schneidegrate
【15】 Polare Schnittwellenkante
5. Gleichmäßigkeit der Beschichtung
Unter der sogenannten Beschichtungsgleichmäßigkeit versteht man die Konstanz der Schichtdicke bzw. Klebstoffverteilung innerhalb der Beschichtungsfläche. Je besser die Konsistenz der Beschichtungsdicke oder der Klebstoffmenge ist, desto gleichmäßiger ist die Beschichtung und umgekehrt. Es gibt keinen einheitlichen Messindex für die Gleichmäßigkeit der Beschichtung, der anhand der Abweichung oder prozentualen Abweichung der Beschichtungsdicke oder Klebstoffmenge an jedem Punkt in einem bestimmten Bereich im Verhältnis zur durchschnittlichen Beschichtungsdicke oder Klebstoffmenge in diesem Bereich oder anhand der gemessen werden kann Differenz zwischen der maximalen und minimalen Schichtdicke bzw. Klebstoffmenge in einem bestimmten Bereich. Die Schichtdicke wird üblicherweise in µm angegeben.
Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung wird verwendet, um den gesamten Beschichtungszustand eines Bereichs zu bewerten. Aber in der tatsächlichen Produktion legen wir meist mehr Wert auf die Gleichmäßigkeit sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung des Substrats. Die sogenannte laterale Gleichmäßigkeit bezieht sich auf die Gleichmäßigkeit in Richtung der Beschichtungsbreite (oder Maschinenseitenrichtung). Die sogenannte Längsgleichmäßigkeit bezieht sich auf die Gleichmäßigkeit in Beschichtungslängsrichtung (oder Substratlaufrichtung).
Es gibt erhebliche Unterschiede in der Größe, den Einflussfaktoren und den Kontrollmethoden horizontaler und vertikaler Leimauftragsfehler. Im Allgemeinen ist es umso schwieriger, die seitliche Gleichmäßigkeit zu kontrollieren, je größer die Breite des Substrats (oder der Beschichtung) ist. Basierend auf jahrelanger praktischer Erfahrung in der Beschichtung ist bei einer Substratbreite unter 800 mm die seitliche Gleichmäßigkeit in der Regel problemlos gewährleistet; Wenn die Breite des Substrats zwischen 1300-1800mm liegt, kann die seitliche Gleichmäßigkeit oft gut kontrolliert werden, aber es ist schwierig und erfordert ein beträchtliches Maß an Fachwissen; Wenn die Breite des Substrats mehr als 2000 mm beträgt, ist es sehr schwierig, die seitliche Gleichmäßigkeit zu kontrollieren, und nur wenige Hersteller können damit gut umgehen. Mit zunehmender Produktionscharge (dh Beschichtungslänge) kann die Gleichmäßigkeit in Längsrichtung zu einer größeren Herausforderung oder Schwierigkeit werden als die Gleichmäßigkeit in Querrichtung.