Technologie de séchage des pièces d'électrodes enrobées de batteries au lithium et défauts
L'un des principaux processus des batteries au lithium est la préparation des pièces d'électrodes.
Après la anode de batterie lithium-ion Les pièces de cathode sont préparées, l'électrolyte est injecté dans la batterie par enroulement ou laminage et autres procédés, et la batterie peut être utilisée après avoir été activée par l'emballage, la charge et la décharge.
Introduction de la pièce d'électrode de batterie
Parmi eux, l'électrode de batterie est un matériau composite à structure sandwich, qui se compose principalement de revêtements poreux bilatéraux constitués de particules de matériaux actifs, de liants et d'agents conducteurs, et d'une feuille de collecteur de courant métallique prise en sandwich au milieu.
Une fois la préparation de la boue des électrodes de cathode et d'anode terminée, elle est recouverte d'une feuille d'aluminium et d'une feuille de cuivre par le biais d'un processus d'enrobage. Le séchage de la pièce d'électrode après l'enrobage est l'une des principales unités de consommation d'énergie et fait également l'objet de recherches.
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Le solvant résiduel dans le processus de séchage de la pièce d'électrode a une grande influence sur la stabilité, la capacité et la durée de vie de la pièce d'électrode traitée ultérieurement. Le processus n'affecte pas seulement le coût de fabrication de la batterie, mais détermine aussi indirectement le niveau du processus de fabrication et la sécurité de la batterie.
En raison du manque de recherches approfondies sur le processus d'enrobage et de séchage des pièces d'électrodes de batteries au lithium, il est généralement difficile d'améliorer qualitativement l'efficacité du séchage à l'heure actuelle.
Technologie de séchage des pièces d'électrodes
L'objectif immédiat du séchage est de faciliter l'élimination efficace et rapide du solvant de la boue d'enrobage. Il existe de nombreuses méthodes de séchage pour les pièces d'électrodes.
Les méthodes de séchage courantes comprennent principalement le séchage à l'air chaud (séchage à l'air chaud par convection, séchage flottant par apport d'air bilatéral, séchage par circulation d'air chaud), le séchage à la vapeur surchauffée, le séchage par rayonnement infrarouge lointain et le séchage par micro-ondes.
Chaque méthode a ses propres avantages et inconvénients, et son application, qui dépend principalement du réglage des paramètres du processus et des exigences de contrôle de la quantité résiduelle de solvant.
Séchage à l'air chaud
La méthode conventionnelle de séchage à l'air chaud est la plus ancienne et la plus répandue, et l'équipement est simple et facile à utiliser. La chaleur du séchage à l'air chaud provient de l'énergie électrique ou de la chaleur de la vapeur.
La taille des particules de la matière active dans la boue de l'électrode de batterie au lithium est nanométrique, et le diamètre des pores des particules est d'environ quelques dizaines de nanomètres lorsqu'elles sont séchées, ce qui leur confère les caractéristiques d'un milieu poreux capillaire.
Par conséquent, lorsque la boue d'enrobage est séchée, la méthode d'élimination des solvants a une grande influence sur la distribution uniforme de la matière active de l'électrode.
Généralement, le séchage flottant par alimentation en air des deux côtés est utilisé pour sécher la feuille des deux côtés, ce qui a une grande efficacité de séchage et un excellent effet de séchage. Cependant, la consommation d'énergie du ventilateur d'alimentation en air est relativement importante et l'uniformité de l'alimentation en air est strictement contrôlée.
Dans le cas contraire, l'uniformité de l'épaisseur du revêtement sera médiocre, la difficulté du matériau de la feuille sera accrue et la bande se brisera facilement, ce qui entraînera des temps d'arrêt.
Sur cette base, le séchage par impaction d'air chaud circulant mis au point présente une grande efficacité. Cette méthode pulvérise de l'air chaud sur la surface de la suspension de revêtement à une vitesse élevée, ce qui atténue les irrégularités de la surface du revêtement et améliore l'uniformité de l'épaisseur de la couche de revêtement.
Dans la pratique, le processus de séchage est réglé en ajustant le volume et la température de l'air par sections, ce qui nécessite un investissement important et une maintenance compliquée.
Séchage par infrarouge
Contrairement au séchage à l'air chaud, le séchage à l'infrarouge peut éliminer l'humidité capillaire et l'humidité résiduelle de surface dans le revêtement de l'électrode, ce qui est particulièrement adapté aux revêtements d'électrodes à haute énergie de grande épaisseur.
Le séchage par rayonnement infrarouge utilise principalement les rayons infrarouges pour évaporer le solvant. Le processus de séchage est simple, la chaleur est concentrée et la vitesse de séchage est rapide.
Il est généralement combiné au séchage par convection pour former un système de séchage hybride. En raison de la différence d'épaisseur du revêtement, la non-uniformité de la température de séchage infrarouge n'a pas été complètement résolue, et l'efficacité du séchage des boues pour les solvants non aqueux est insuffisante.
Séchage par micro-ondes
La technologie de séchage par micro-ondes favorise l'élimination de l'humidité dans le morceau d'électrode grâce au chauffage diélectrique par micro-ondes. Les micro-ondes sont un chauffage de volume. Lors du séchage, l'eau libre à l'intérieur de la pièce d'électrode est d'abord vaporisée, ce qui forme un gradient de pression d'évaporation élevé et accélère la migration interne de l'eau.
Le séchage par mélange de micro-ondes permet d'améliorer considérablement l'efficacité du séchage, et le revêtement est peu endommagé pendant le séchage, mais il est facile de faire gonfler et frire les morceaux d'électrodes.
Dans la pratique, les différents fabricants de piles n'utilisent pas toujours une méthode de séchage particulière, mais combinent des technologies de séchage telles que l'infrarouge et les micro-ondes sur la base du séchage à l'air chaud afin d'améliorer l'efficacité du séchage.
Bien que le séchage par infrarouge puisse pallier les insuffisances de la technologie assistée par micro-ondes, l'uniformité des rayons infrarouges est médiocre, ce qui se traduit par des taux de séchage irréguliers des morceaux d'électrodes et réduit l'uniformité de la capacité des cellules.
Paramètres du processus de séchage et défauts des pièces d'électrodes
À l'heure actuelle, la principale méthode de séchage reste le séchage à l'air chaud. Pendant le séchage, la vitesse de l'air chaud, la température de l'air, l'épaisseur du revêtement, les caractéristiques de la boue et la structure de l'équipement de séchage sont autant de facteurs qui influent sur le séchage.
Le bon processus de séchage garantit l'enrobage uniforme de la suspension, améliore la consistance de la batterie, assure une bonne dispersion de la matière active et forme un canal d'électrolyte pour augmenter le taux de charge et de décharge de la matière active.
Un mauvais séchage peut entraîner divers défauts tels que des agglomérations, des trous d'épingle, une épaisseur inégale, des rayures et des résidus de la couche de revêtement.
Un mauvais fonctionnement du processus de séchage entraînera directement une baisse des performances de la batterie, et la consistance de chaque lot de pièces d'électrodes se détériorera, ce qui affectera sérieusement le rendement de la section du processus d'adaptation et la durée de vie du module.
Le temps de séchage global de la couche de revêtement est court, compte tenu principalement de l'influence de la température de l'air chaud, de la vitesse du vent et de la teneur en solides de la boue (teneur en solvants).
Température de l'air chaud
Au stade initial, la température à utiliser pour les différents solvants est différente. Par exemple, le solvant à base d'eau n'est pas facile à sécher à basse température, et la température est basse, et le temps de maintenance de la section à vitesse constante est plus long.
En général, lorsque la température de l'air chaud de la boue à base d'eau est de 90 °C, la vitesse de séchage de la pièce d'électrode est plus rapide et les défauts de séchage sont moindres.
L'étude a montré que lorsque la température de séchage est plus basse, la distribution du liant est plus uniforme et la liaison entre le collecteur de courant et le matériau actif est plus forte.
La température de séchage élevée a non seulement tendance à provoquer un enrichissement local du liant, mais aussi une mauvaise planéité de la surface, ce qui réduit le rendement du processus d'enroulement.
En effet, la température excessive durcit la surface de la pièce d'électrode, ce qui provoque des fissures et des plis sur la pièce d'électrode.
Au cours du processus de séchage, le solvant d'enrobage s'est évaporé en continu et la viscosité a augmenté rapidement, mais le taux de migration du solvant de surface était plus élevé qu'à proximité de l'extrémité de la feuille.
En raison des changements radicaux de la tension superficielle, des réseaux en nid d'abeille, des défauts de bord épais ou des agglomérations de particules de liant/solide sont susceptibles de se produire.
Vitesse de l'air chaud
Une vitesse excessive du flux d'air pendant le séchage à l'air chaud entraînera un revêtement inégal, ce qui affectera directement les performances de la batterie. Par conséquent, la vitesse du flux d'air doit être contrôlée à différents stades.
En général, les boues de faible viscosité sont plus sensibles que celles de viscosité plus élevée. Afin de réduire l'écoulement et l'endommagement de la couche de revêtement, il est nécessaire d'utiliser une faible vitesse d'air pour le séchage.
Si la vitesse de l'air du four est trop élevée, la couche de revêtement est sujette à la formation de bulles.
En effet, beaucoup de poussière s'accumule dans les conduits d'air à l'entrée et à la sortie du four de revêtement, et l'augmentation du volume d'air (vitesse du vent) permet d'enrouler facilement la poussière accumulée, qui se disperse à la surface du revêtement humide et produit un grand nombre de bulles d'air.
Le défaut de moucheture est la formation de mouchetures semblables à des motifs, qui est principalement causée par le débit instable de l'air chaud.
Épaisseur du revêtement
L'épaisseur de la couche de revêtement est principalement déterminée par les paramètres de conception des caractéristiques de charge-décharge et de capacité de la batterie. Plus le revêtement est épais, plus la capacité est grande, mais le taux de charge-décharge est limité.
Le revêtement est fin, le taux de charge et de décharge de la batterie est élevé et la capacité est limitée en conséquence, le revêtement sèche rapidement et les défauts du revêtement sont relativement peu nombreux.
On estime généralement qu'une couche d'enrobage plus épaisse favorise la libération de la contrainte de séchage, que l'adhérence de l'enrobage est meilleure, que l'enrobage est plus mince et que la ségrégation des matières inactives, telles que les liants, est plus faible.
L'analyse de l'interface du matériau actif après séchage montre que la résistance du collecteur de courant est principalement affectée par la dispersion inégale de l'agent conducteur, tandis que l'épaisseur du revêtement n'est pas affectée de manière significative.
Si l'épaisseur du revêtement n'est pas correctement contrôlée, il est facile de provoquer des défauts tels que des plis et des stries.
Propriétés des boues
L'influence de la suspension se reflète principalement dans la teneur et le type de solvant, ainsi que dans les caractéristiques de dispersion et d'adhérence de la substance active.
Le séchage de la pièce d'électrode est fortement influencé par le processus d'enrobage, et l'enrobage doit être uniforme et exempt de particules évidentes.
Lors du séchage, la siccité relative de l'air chaud est généralement réduite par un retour partiel de l'air dans la partie avant afin d'éviter une élimination excessive du solvant de surface, tandis que la dernière partie exige que la température puisse être augmentée de manière appropriée pour améliorer l'efficacité du séchage et réduire les résidus de solvant.
Au début du séchage, la fluidité de la suspension est importante, les caractéristiques du solvant affectent le processus de séchage et le processus de réarrangement des particules de la substance active se produit au cours du processus de dispersion.
La teneur en solvants dans la dernière phase de séchage est faible et la couche de revêtement perd pratiquement sa fluidité. La dispersibilité des substances actives et le liant sont les principaux facteurs qui influencent le séchage ultérieur.
En général, la dispersibilité du liant est affectée par la vitesse de séchage, et l'agglomération est évidente si l'opération est incorrecte, ce qui peut être dû à l'enrichissement du liant causé par l'évaporation d'une grande quantité de solvant.
Résumer
Le séchage des pièces d'électrodes implique le transport de matériaux multiphases à différentes échelles et présente les caractéristiques de processus physiques complexes et de processus de séchage diversifiés.
Le mode d'agrégation du liant d'enrobage pendant le processus de séchage est fortement influencé par le processus de séchage, et les canaux microporeux formés par les agglomérats de matières actives ont des processus de transport différents à différentes échelles.
Dans la pratique, les performances de la boue de revêtement, la méthode de revêtement et les processus de fabrication ultérieurs tels que le laminage doivent être pris en compte de manière exhaustive.
La recherche sur la relation entre le processus de séchage des pièces d'électrodes et le coût et la qualité des pièces d'électrodes est encore insuffisante, et il n'y a pas de recherche détaillée sur l'équipement de séchage spécial pour la production de batteries au lithium.
Il est nécessaire d'accumuler en permanence des données et de l'expérience sur le processus de séchage des revêtements afin d'optimiser la méthode de séchage des revêtements.
