tecnología de secado y defectos de las piezas de electrodo revestidas de baterías de litio
Uno de los procesos fundamentales de las baterías de litio es la preparación de las piezas de electrodo.
Después del ánodo de batería de iones de litio se preparan las piezas catódicas, se inyecta el electrolito en la batería mediante bobinado o laminación y otros procesos, y la batería puede utilizarse tras ser activada mediante envasado, carga y descarga.
Introducción de la pieza de electrodo de la batería
Entre ellos, la pieza de electrodo de la batería es un material compuesto con estructura de sándwich, que se compone principalmente de revestimientos porosos de dos caras compuestos por partículas de material activo, aglutinantes y agentes conductores, y una lámina metálica colectora de corriente intercalada en el medio.
Una vez finalizada la preparación de la pasta de electrodo catódico y anódico, se recubre sobre papel de aluminio y papel de cobre mediante un proceso de recubrimiento. Para el proceso de recubrimiento de la pieza de electrodo, el secado de la pieza de electrodo después del recubrimiento es una de las principales unidades de consumo de energía y también es objeto de investigación.
Para más información, consulte fabricantes de papel de aluminio para baterías y top 10 empresas mundiales de láminas de cobre para baterías de litioEspero que le sea útil.
El disolvente residual en el proceso de secado de la pieza de electrodo tiene una gran influencia en la estabilidad, capacidad y vida útil del ciclo del procesamiento posterior de la pieza de electrodo. El proceso no sólo afecta al coste de fabricación de la batería, sino que también determina indirectamente el nivel del proceso de fabricación y la seguridad de la batería.
Debido a la falta de investigación en profundidad sobre el proceso de recubrimiento y secado de las piezas de electrodos de baterías de litio, en general resulta difícil mejorar cualitativamente la eficacia del secado en la actualidad.
Tecnología de secado de piezas de electrodo
El objetivo inmediato del secado es facilitar la eliminación eficaz y rápida del disolvente de la lechada de revestimiento. Existen muchos métodos de secado para las piezas de electrodo.
Los métodos de secado habituales incluyen principalmente el secado por aire caliente (secado por convección de aire caliente, secado flotante con suministro de aire por ambos lados, secado por impacto de aire caliente circulante), secado por vapor sobrecalentado, secado por radiación infrarroja lejana y secado por microondas.
Cada método tiene sus propias ventajas e inconvenientes, y tiene su aplicación, que depende principalmente del ajuste de los respectivos parámetros del proceso y de los requisitos de control de la cantidad residual de disolvente.
Secado por aire caliente
El método convencional de secado por aire caliente es el método más antiguo y utilizado, y el equipo es sencillo y fácil de manejar. El calor del secado por aire caliente procede de la energía eléctrica o del vapor.
El tamaño de las partículas del material activo en la pasta de piezas de electrodos de baterías de litio es nanométrico, y el diámetro de los poros de las partículas es de unas decenas de nanómetros cuando se seca, y tiene las características de los medios porosos capilares.
Por lo tanto, cuando se seca la pasta de revestimiento, el método de eliminación del disolvente tiene una gran influencia en la distribución uniforme del material activo del electrodo.
Generalmente, el secado flotante con suministro de aire de doble cara se utiliza para secar la lámina por ambos lados, lo que tiene una alta eficiencia de secado y un excelente efecto de secado. Sin embargo, el consumo de energía del ventilador de suministro de aire es relativamente grande, y la uniformidad del suministro de aire se controla estrictamente.
De lo contrario, la uniformidad del grosor del revestimiento será deficiente, aumentará la dificultad del material de la lámina y la cinta se romperá con facilidad, lo que provocará tiempos de inactividad.
Sobre esta base, el secado por impacto de aire caliente circulante desarrollado tiene una gran eficacia de trabajo. Este método pulveriza aire caliente sobre la superficie de la lechada de revestimiento a alta velocidad, lo que debilita las irregularidades de la superficie del revestimiento y mejora la consistencia del espesor de la capa de revestimiento.
En la práctica, el proceso de secado se regula ajustando el volumen y la temperatura del aire por secciones, lo que requiere grandes inversiones y un mantenimiento complicado.
Secado por infrarrojos
A diferencia del secado por aire caliente, el secado por infrarrojos puede eliminar la humedad capilar y la humedad residual superficial en el revestimiento del electrodo, lo que resulta especialmente adecuado para revestimientos de electrodos de alta energía con gran espesor.
El secado por radiación infrarroja utiliza principalmente rayos infrarrojos para evaporar el disolvente, el proceso de secado es sencillo, el calor se concentra y la velocidad de secado es rápida.
Suele combinarse con el secado por convección para formar un sistema de secado híbrido. Debido a la diferencia de grosor del revestimiento, la falta de uniformidad de la temperatura de secado por infrarrojos no se ha resuelto por completo, y la eficacia del secado de lechada para disolventes no acuosos es insuficiente.
Secado por microondas
La tecnología de secado por microondas favorece la eliminación de la humedad en la pieza de electrodo mediante el calentamiento dieléctrico por microondas. Las microondas son un calentamiento volumétrico. Durante el secado, el agua libre en el interior de la pieza de electrodo se vaporiza en primer lugar, formando un gradiente de presión de evaporación elevado y acelerando la migración interna del agua.
El secado por mezcla de microondas puede mejorar mucho la eficacia del secado, y el daño al revestimiento es pequeño durante el secado, pero es fácil que se produzcan abombamientos y frituras en las piezas del electrodo.
En la práctica, varios fabricantes de baterías no suelen utilizar un método de secado determinado por sí solo, sino que combinan tecnologías de secado como los infrarrojos y las microondas sobre la base del secado por aire caliente para mejorar la eficacia del secado.
Aunque el secado por infrarrojos puede compensar las deficiencias de la tecnología asistida por microondas, la uniformidad de los rayos infrarrojos es deficiente, lo que da lugar a velocidades de secado incoherentes de las piezas de electrodo y reduce la consistencia de la capacidad de las células.
Parámetros del proceso de secado y defectos de las piezas de electrodo
En la actualidad, el principal método de secado sigue siendo el secado por aire caliente. Durante el secado, influyen la velocidad del aire caliente, la temperatura del aire, el grosor del revestimiento, las características del lodo y la estructura del equipo de secado.
El buen proceso de secado garantiza el recubrimiento uniforme del fluido del lodo, mejora la consistencia de la batería de potencia, asegura la buena dispersión del material activo y forma un canal electrolítico para aumentar la velocidad de carga-descarga del material activo.
Un secado deficiente puede provocar diversos defectos, como aglomeración, agujeros de alfiler, grosor desigual, arañazos y desprendimiento de la capa de revestimiento.
Un funcionamiento incorrecto del proceso de secado provocará directamente la disminución del rendimiento de la batería de potencia, y la consistencia de cada lote de piezas de electrodo se deteriorará, lo que afectará gravemente al rendimiento de la sección del proceso de emparejamiento y a la vida útil del ciclo del módulo.
El tiempo total de secado de la capa de revestimiento es corto, sobre todo teniendo en cuenta la influencia de la temperatura del aire caliente, la velocidad del viento y el contenido sólido de la lechada (contenido de disolvente).
Temperatura del aire caliente
En la fase inicial, la temperatura que debe utilizarse para los distintos disolventes es diferente. Por ejemplo, el disolvente a base de agua no es fácil de secar a baja temperatura, y la temperatura es baja, y el tiempo de mantenimiento de la sección de velocidad constante es más largo.
Generalmente, cuando la temperatura del aire caliente de la lechada a base de agua es de 90 °C, la velocidad de secado de la pieza de electrodo es más rápida y los defectos de secado son menores.
El estudio descubrió que cuando la temperatura de secado es más baja, la distribución del aglutinante es más uniforme y la unión entre el colector de corriente y el material activo es más fuerte.
La elevada temperatura de secado no sólo tiende a provocar un enriquecimiento local del aglutinante, sino que además presenta una superficie poco plana, lo que reduce el rendimiento del proceso de bobinado.
Esto se debe a que la temperatura excesiva endurecerá la superficie de la pieza de electrodo, lo que provocará grietas y arrugas en la pieza de electrodo.
Durante el proceso de secado, el disolvente del revestimiento se evaporaba continuamente y la viscosidad aumentaba rápidamente, pero la tasa de migración del disolvente de la superficie era superior a la que se producía cerca del extremo de la lámina.
Debido a los cambios drásticos en la tensión superficial, son propensos a producirse redes alveolares, defectos en los bordes gruesos o aglomeración de partículas de aglutinante/sólido.
Velocidad del aire caliente
Una velocidad excesiva del flujo de aire durante el secado por aire caliente provocará un recubrimiento desigual, lo que afecta directamente al rendimiento de la batería de alimentación. Por lo tanto, la velocidad del flujo de aire debe controlarse en diferentes etapas.
Por lo general, los lodos de menor viscosidad son más sensibles que los de mayor viscosidad. Para reducir el flujo y el daño de la capa de revestimiento, es necesario utilizar una velocidad de aire baja para el secado.
Si la velocidad del aire del horno es demasiado grande, la capa de revestimiento es propensa a formar burbujas.
Esto se debe a que hay mucho polvo acumulado en los conductos de aire que entran y salen del horno de revestimiento, y al aumentar el volumen de aire (velocidad del viento) es fácil enrollar el polvo acumulado, que se esparce por la superficie del revestimiento húmedo y produce un gran número de burbujas de aire.
El defecto de moteado es la formación de motas en forma de patrón, causada principalmente por el flujo inestable de aire caliente.
Espesor del revestimiento
El grosor de la capa de revestimiento viene determinado principalmente por los parámetros de diseño de las características de carga-descarga y capacidad de la batería. Cuanto más gruesa es la capa de revestimiento, mayor es la capacidad, pero la velocidad de carga-descarga es limitada.
El revestimiento es delgado, la tasa de carga y descarga de la batería es grande y la capacidad es correspondientemente limitada, y el revestimiento se seca rápidamente, y los defectos del revestimiento son relativamente pocos.
En general, se considera que una capa de recubrimiento más gruesa favorece la liberación de la tensión de secado, la adherencia del recubrimiento es mejor y el recubrimiento es más fino, y la segregación de materiales inactivos, como los aglutinantes, es más débil.
El análisis de la interfaz del material activo tras el secado muestra que la resistencia del colector de corriente se ve afectada principalmente por la dispersión desigual del agente conductor, mientras que el grosor del revestimiento no se ve afectado significativamente.
Si el grosor del revestimiento no se controla adecuadamente, es fácil que se produzcan defectos como arrugas y rayas.
Propiedades del lodo
La influencia de la lechada se refleja principalmente en el contenido y el tipo de disolvente, así como en las características de dispersión y adherencia de la sustancia activa.
El secado de la pieza de electrodo se ve muy afectado por el proceso de recubrimiento, y se requiere que el recubrimiento sea uniforme y sin partículas evidentes.
Durante el secado, la sequedad relativa del aire caliente suele reducirse mediante un retorno parcial del aire en la sección delantera para evitar una eliminación excesiva del disolvente de la superficie, mientras que en la última sección es necesario aumentar adecuadamente la temperatura para mejorar la eficacia del secado y reducir los residuos de disolvente.
En la fase inicial del secado, la fluidez de la suspensión es grande, las características del disolvente afectan al proceso de secado y el proceso de reordenación de las partículas de la sustancia activa se produce durante el proceso de dispersión.
El contenido de disolvente en la fase posterior de secado es bajo, y la capa de revestimiento pierde básicamente su fluidez. La dispersabilidad de las sustancias activas y el aglutinante son los principales factores que afectan al secado posterior.
Por lo general, la dispersabilidad del aglutinante se ve afectada por la velocidad de secado, y la aglomeración es evidente si la operación es incorrecta, lo que puede deberse al enriquecimiento del aglutinante causado por la evaporación de una gran cantidad de disolvente.
Resuma
El secado de piezas de electrodos implica el transporte de materiales multifásicos a diferentes escalas, y presenta las características de procesos físicos complejos y procesos de secado diversificados.
El modo de agregación del aglomerante de recubrimiento durante el proceso de secado se ve muy afectado por el proceso de secado, y los canales microporosos formados por los aglomerados de material activo tienen diferentes procesos de transporte a diferentes escalas.
En la práctica, hay que tener muy en cuenta el rendimiento de la lechada de revestimiento, el método de revestimiento y los procesos de fabricación posteriores, como el laminado.
La investigación sobre la relación entre el proceso de secado de la pieza de electrodo y el coste y la calidad de la pieza de electrodo es todavía insuficiente, y falta una investigación detallada sobre los equipos de secado especiales para la producción de baterías de litio.
Es necesario acumular continuamente datos y experiencia sobre el proceso de secado de revestimientos para optimizar el método de secado de revestimientos.
