فرآیند اولیه در تولید باتری لیتیومی

باتری‌های یون-اتیوم کاربردهای گسترده‌ای دارند. بر اساس طبقه‌بندی حوزه‌های کاربرد، می‌توان آنها را به باتری برای ذخیره انرژی، باتری برای برق و باتری برای لوازم الکترونیکی مصرفی تقسیم کرد.

• باتری برای ذخیره انرژی، ذخیره انرژی ارتباطی، ذخیره انرژی برق، سیستم‌های انرژی توزیع‌شده و غیره را پوشش می‌دهد.
• باتری‌های برق عمدتاً در زمینه برق استفاده می‌شوند و به بازار شامل وسایل نقلیه با انرژی جدید، لیفتراک‌های برقی و غیره خدمت می‌کنند.
• باتری برای لوازم الکترونیکی مصرفی، حوزه مصرف‌کننده و صنعت را پوشش می‌دهد، از جمله اندازه‌گیری هوشمند، امنیت هوشمند، حمل و نقل هوشمند، اینترنت اشیا و غیره.

باتری لیتیوم-یون یک سیستم پیچیده است که عمدتاً از آند، کاتد، الکترولیت، جداکننده، جمع‌کننده جریان، چسب، عامل رسانا و غیره تشکیل شده است و شامل واکنش‌هایی از جمله واکنش الکتروشیمیایی آند و کاتد، هدایت یون لیتیوم و هدایت الکترونیکی و همچنین انتشار گرما می‌شود.

فرآیند تولید باتری‌های لیتیومی نسبتاً طولانی است و بیش از ۵۰ فرآیند در این فرآیند دخیل هستند.

باتری‌های لیتیومی را می‌توان بر اساس شکل به باتری‌های استوانه‌ای، باتری‌های پوسته آلومینیومی مربعی، باتری‌های کیسه‌ای و باتری‌های تیغه‌ای تقسیم کرد. در فرآیند تولید آنها تفاوت‌هایی وجود دارد، اما به طور کلی فرآیند تولید باتری لیتیومی را می‌توان به فرآیند جلویی (ساخت الکترود)، فرآیند میانی (سنتز سلول) و فرآیند پشتی (تشکیل و بسته‌بندی) تقسیم کرد.

فرآیند اولیه تولید باتری لیتیومی در این مقاله معرفی خواهد شد.

هدف تولید فرآیند جلویی، تکمیل ساخت الکترود (آند و کاتد) است. فرآیندهای اصلی آن شامل موارد زیر است: دوغاب‌سازی/مخلوط‌سازی، پوشش‌دهی، کلندرینگ، برش و برش قالبی.

دوغاب سازی/مخلوط کردن

دوغاب‌سازی/مخلوط‌سازی به معنای مخلوط کردن یکنواخت مواد جامد باتری آند و کاتد و سپس اضافه کردن حلال برای ساخت دوغاب است. مخلوط کردن دوغاب نقطه شروع خط تولید است و مقدمه‌ای برای تکمیل پوشش‌دهی بعدی، کلندرکاری و سایر فرآیندها می‌باشد.

دوغاب باتری لیتیومی به دوغاب الکترود مثبت و دوغاب الکترود منفی تقسیم می‌شود. مواد فعال، کربن رسانا، غلیظ‌کننده، چسب، افزودنی، حلال و غیره را به نسبت در میکسر بریزید. با مخلوط کردن، پراکندگی یکنواختی از دوغاب سوسپانسیون جامد-مایع برای پوشش‌دهی به دست آورید.

اختلاط با کیفیت بالا، اساس تکمیل با کیفیت بالای فرآیند بعدی است که به طور مستقیم یا غیرمستقیم بر عملکرد ایمنی و عملکرد الکتروشیمیایی باتری تأثیر می‌گذارد.

پوشش

پوشش‌دهی فرآیندی است که در آن ماده فعال مثبت و ماده فعال منفی به ترتیب روی فویل‌های آلومینیومی و مسی پوشانده می‌شوند و با عوامل رسانا و چسب ترکیب می‌شوند تا ورق الکترود تشکیل شود. سپس حلال‌ها با خشک شدن در فر حذف می‌شوند تا ماده جامد به زیرلایه متصل شود و کویل ورق الکترود مثبت و منفی را تشکیل دهد.

پوشش کاتد و آند

مواد کاتدی: سه نوع ماده وجود دارد: ساختار لایه‌ای، ساختار اسپینل و ساختار الیوین که به ترتیب مربوط به مواد سه‌تایی (و کبالتات لیتیوم)، منگنات لیتیوم (LiMn2O4) و فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) هستند.

مواد آند: در حال حاضر، مواد آند مورد استفاده در باتری‌های لیتیوم-یون تجاری عمدتاً شامل مواد کربنی و مواد غیرکربنی هستند. از جمله آنها، مواد کربنی شامل آند گرافیتی است که در حال حاضر بیشترین کاربرد را دارد و آند کربنی نامنظم، کربن سخت، کربن نرم و غیره؛ مواد غیر کربنی شامل آند مبتنی بر سیلیکون، تیتانات لیتیوم (LTO) و غیره هستند.

به عنوان حلقه اصلی فرآیند جلویی، کیفیت اجرای فرآیند پوشش، عمیقاً بر ثبات، ایمنی و چرخه عمر باتری نهایی تأثیر می‌گذارد.

کلندرینگ

الکترود پوشش داده شده توسط غلتک فشرده‌تر می‌شود، به طوری که ماده فعال و جمع‌کننده در تماس نزدیک با یکدیگر قرار می‌گیرند و فاصله حرکت الکترون‌ها کاهش می‌یابد، ضخامت الکترود کم می‌شود و ظرفیت بارگیری افزایش می‌یابد. در عین حال، می‌تواند مقاومت داخلی باتری را کاهش دهد، رسانایی را افزایش دهد و میزان استفاده از حجم باتری را بهبود بخشد تا ظرفیت باتری افزایش یابد.

صافی الکترود پس از فرآیند کلندرینگ مستقیماً بر فرآیند برش بعدی تأثیر می‌گذارد. یکنواختی ماده فعال الکترود نیز به طور غیرمستقیم بر عملکرد سلول تأثیر می‌گذارد.

برش

برشکاری، برش طولی مداوم یک سیم‌پیچ الکترود پهن به برش‌های باریک با عرض مورد نیاز است. در برشکاری، الکترود تحت عمل برش قرار می‌گیرد و می‌شکند. صافی لبه پس از برش (بدون پلیسه و خمیدگی) کلید بررسی عملکرد است.

فرآیند ساخت الکترود شامل جوشکاری زبانه الکترود، استفاده از کاغذ چسب محافظ، پیچیدن زبانه الکترود و استفاده از لیزر برای برش زبانه الکترود برای فرآیند سیم‌پیچ بعدی است. برش قالبی به معنای مهر زدن و شکل دادن به الکترود روکش‌دار برای فرآیند بعدی است.

با توجه به الزامات بالای عملکرد ایمنی باتری‌های لیتیوم-یونی، دقت، پایداری و اتوماسیون تجهیزات در فرآیند تولید باتری لیتیوم بسیار مورد توجه است.

شرکت داچنگ پرسیژن، به عنوان پیشرو در تجهیزات اندازه‌گیری الکترود لیتیوم، مجموعه‌ای از محصولات را برای اندازه‌گیری الکترود در فرآیند اولیه تولید باتری لیتیوم، مانند دستگاه اندازه‌گیری چگالی سطحی اشعه ایکس/بتا، ضخامت‌سنج و چگالی سطحی CDM، ضخامت‌سنج لیزری و غیره، عرضه کرده است.

• چگالی سنج فضایی سوپر ایکس ری

این دستگاه با اندازه‌گیری پوشش با عرض بیش از ۱۶۰۰ میلی‌متر سازگار است، از اسکن فوق‌العاده سریع پشتیبانی می‌کند و ویژگی‌های دقیقی مانند نواحی نازک، خراش‌ها و لبه‌های سرامیکی را تشخیص می‌دهد. این دستگاه می‌تواند به پوشش‌دهی حلقه بسته کمک کند.

•  چگالی‌سنج ناحیه‌ای اشعه ایکس/بتا

این ماده در فرآیند پوشش الکترود باتری و فرآیند پوشش سرامیکی جداکننده برای انجام آزمایش آنلاین چگالی سطحی جسم اندازه‌گیری شده استفاده می‌شود.

•  ضخامت سنج CDM و چگالی سنج سطحی

می‌توان از آن در فرآیند پوشش‌دهی استفاده کرد: تشخیص آنلاین ویژگی‌های دقیق الکترودها، مانند پوشش از دست رفته، کمبود مواد، خراش‌ها، خطوط ضخامت نواحی نازک شده، تشخیص ضخامت AT9 و غیره؛

•  سیستم اندازه‌گیری ردیابی همزمان چند فریمی

این دستگاه برای فرآیند پوشش‌دهی کاتد و آند باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شود. این دستگاه از چندین فریم اسکن برای انجام اندازه‌گیری‌های ردیابی همزمان روی الکترودها استفاده می‌کند. سیستم اندازه‌گیری ردیابی همزمان پنج فریمی قادر به بازرسی فیلم مرطوب، مقدار پوشش خالص و الکترود است.

•  ضخامت سنج لیزری

برای تشخیص الکترود در فرآیند پوشش یا فرآیند کلندرکاری باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شود.

• ضخامت سنج و ابعاد سنج آفلاین

برای تشخیص ضخامت و ابعاد الکترودها در فرآیند پوشش یا فرآیند کلندرکاری باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شود که باعث بهبود کارایی و ثبات می‌شود.