عملية الطلاء وعيوب بطاريات الليثيوم

عملية الطلاء وعيوب بطاريات الليثيوم

01

تأثير عملية الطلاء على أداء بطاريات الليثيوم

يشير الطلاء القطبي بشكل عام إلى عملية طلاء الملاط المقلب بالتساوي على مجمع التيار وتجفيف المذيبات العضوية الموجودة في الملاط. تأثير الطلاء له تأثير كبير على سعة البطارية، والمقاومة الداخلية، وعمر الدورة، والسلامة، مما يضمن طلاء متساوي للقطب الكهربائي. إن اختيار طرق الطلاء ومعلمات التحكم لها تأثير كبير على أداء بطاريات الليثيوم أيون، ويتجلى ذلك بشكل رئيسي في:

1) التحكم في درجة حرارة التجفيف للطلاء: إذا كانت درجة حرارة التجفيف منخفضة جدًا أثناء الطلاء، فلا يمكن ضمان التجفيف الكامل للقطب الكهربائي. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فقد يكون ذلك بسبب التبخر السريع للمذيبات العضوية داخل القطب الكهربائي، مما يؤدي إلى التشقق والتقشير وظواهر أخرى على الطلاء السطحي للقطب الكهربائي؛

2) كثافة سطح الطلاء: إذا كانت كثافة سطح الطلاء صغيرة جدًا، فقد لا تصل سعة البطارية إلى السعة الاسمية. إذا كانت كثافة سطح الطلاء عالية جدًا، فمن السهل أن تتسبب في إهدار المكونات. في الحالات الشديدة، إذا كانت هناك سعة قطب موجبة مفرطة، فسوف تتشكل تشعبات الليثيوم بسبب هطول الليثيوم، مما يؤدي إلى ثقب فاصل البطارية والتسبب في حدوث ماس كهربائي، مما يشكل خطرًا على السلامة؛

3) حجم الطلاء: إذا كان حجم الطلاء صغيرًا جدًا أو كبيرًا جدًا، فقد يتسبب ذلك في عدم تغطية القطب الموجب داخل البطارية بالكامل بواسطة القطب السالب. أثناء عملية الشحن، يتم دمج أيونات الليثيوم من القطب الموجب وتنتقل إلى المنحل بالكهرباء الذي لا يغطيه القطب السالب بالكامل. لا يمكن استخدام القدرة الفعلية للقطب الموجب بكفاءة. في الحالات الشديدة، قد تتشكل تشعبات الليثيوم داخل البطارية، والتي يمكن أن تثقب الفاصل بسهولة وتتسبب في تلف الدائرة الداخلية؛

4) سمك الطلاء: إذا كان سمك الطلاء رقيقًا جدًا أو سميكًا جدًا، فسوف يؤثر ذلك على عملية لف القطب الكهربي اللاحقة ولا يمكن أن يضمن اتساق أداء قطب البطارية.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن طلاء القطب له أهمية كبيرة لسلامة البطاريات. قبل الطلاء، يجب إجراء عمل 5S لضمان عدم خلط أي جزيئات أو حطام أو غبار وما إلى ذلك في القطب أثناء عملية الطلاء. إذا تم خلط أي حطام، فسوف يتسبب ذلك في حدوث ماس كهربائي صغير داخل البطارية، مما قد يؤدي إلى نشوب حريق وانفجار في الحالات الشديدة.

02

اختيار معدات الطلاء وعملية الطلاء

تتضمن عملية الطلاء العامة: فك اللفائف ← الربط ← السحب ← التحكم في التوتر ← الطلاء ← التجفيف ← التصحيح ← التحكم في التوتر ← التصحيح ← اللف، وغيرها من العمليات. عملية الطلاء معقدة، وهناك أيضًا العديد من العوامل التي تؤثر على تأثير الطلاء، مثل دقة تصنيع معدات الطلاء، وسلاسة تشغيل المعدات، والتحكم في التوتر الديناميكي أثناء عملية الطلاء، وحجم تدفق الهواء أثناء عملية الطلاء. عملية التجفيف، ومنحنى التحكم في درجة الحرارة. ولذلك، فإن اختيار عملية الطلاء المناسبة أمر في غاية الأهمية.

يجب أن يأخذ الاختيار العام لطريقة الطلاء في الاعتبار الجوانب التالية، بما في ذلك: عدد الطبقات المراد طلاءها، وسمك الطلاء الرطب، والخصائص الريولوجية لسائل الطلاء، ودقة الطلاء المطلوبة، ودعم الطلاء أو الركيزة، و سرعة الطلاء.

بالإضافة إلى العوامل المذكورة أعلاه، من الضروري أيضًا مراعاة الوضع والخصائص المحددة لطلاء القطب الكهربائي. خصائص طلاء القطب الكهربائي لبطارية الليثيوم أيون هي: ① طلاء أحادي الطبقة على الوجهين؛ ② الطبقة الرطبة للملاط سميكة نسبيًا (100-300 ميكرومتر) ③ الملاط عبارة عن سائل عالي اللزوجة غير نيوتوني؛ ④ متطلبات الدقة لطلاء الفيلم القطبي عالية، مماثلة لمتطلبات طلاء الفيلم؛ ⑤ هيكل دعم الطلاء بسمك 10-20 ميكرومتر من رقائق الألومنيوم ورقائق النحاس بسمك متر؛ ⑥ بالمقارنة مع سرعة طلاء الفيلم، فإن سرعة طلاء الفيلم القطبي ليست عالية. مع الأخذ في الاعتبار العوامل المذكورة أعلاه، غالبًا ما تستخدم معدات المختبرات العامة نوع الكاشطة، وغالبًا ما تستخدم بطاريات الليثيوم أيون الاستهلاكية نوع نقل طلاء الأسطوانة، وغالبًا ما تستخدم بطاريات الطاقة طريقة بثق الفتحة الضيقة.

الطلاء بالمكشطة: يظهر مبدأ العمل في الشكل 1. تمر ركيزة الرقاقة عبر أسطوانة الطلاء وتتصل مباشرة بخزان الملاط. يتم تطبيق الملاط الزائد على الركيزة احباط. عندما تمر الركيزة بين أسطوانة الطلاء والكاشطة، فإن الفجوة بين الكاشطة والركيزة تحدد سمك الطلاء. وفي الوقت نفسه، يتم كشط الملاط الزائد وإعادة إرجاعه، مما يشكل طبقة موحدة على سطح الركيزة. الأنواع الرئيسية من الكاشطات هي كاشطات الفاصلة. تعتبر مكشطة الفاصلة أحد المكونات الرئيسية في رأس الطلاء. يتم تشكيلها بشكل عام على طول المولد على سطح الأسطوانة الدائرية لتشكيل شفرة تشبه الفاصلة. يتميز هذا النوع من الكاشطة بقوة وصلابة عالية، ومن السهل التحكم في كمية الطلاء ودقته، وهو مناسب للمحتوى الصلب العالي والملاط عالي اللزوجة.

نوع نقل طلاء الأسطوانة: تدور أسطوانة الطلاء لدفع الملاط، وضبط كمية نقل الملاط من خلال الفجوة بين مكشطة الفاصلة، واستخدام دوران الأسطوانة الخلفية وأسطوانة الطلاء لنقل الملاط إلى الركيزة. تظهر العملية في الشكل 2. يتضمن طلاء نقل طلاء الأسطوانة عمليتين أساسيتين: (1) يؤدي دوران أسطوانة الطلاء إلى دفع الملاط للمرور عبر الفجوة بين بكرات القياس، وتشكيل سمك معين لطبقة الملاط؛ (2) يتم نقل سماكة معينة من طبقة الملاط إلى الرقاقة عن طريق تدوير أسطوانة الطلاء والأسطوانة الخلفية في اتجاهين متعاكسين لتشكيل الطلاء.

طلاء البثق ذو الشق الضيق: باعتبارها تقنية طلاء رطب دقيقة، كما هو موضح في الشكل 3، فإن مبدأ العمل هو أن سائل الطلاء يتم بثقه ورشه على طول فجوات قالب الطلاء تحت ضغط معين ومعدل تدفق، ونقله إلى الركيزة . بالمقارنة مع طرق الطلاء الأخرى، فهي تتمتع بالعديد من المزايا، مثل سرعة الطلاء السريعة، والدقة العالية، والسمك الرطب الموحد؛ نظام الطلاء مغلق، والذي يمكن أن يمنع الملوثات من الدخول أثناء عملية الطلاء. معدل استخدام الملاط مرتفع، وخصائص الملاط مستقرة. يمكن تغليفه بطبقات متعددة في وقت واحد. ويمكنه التكيف مع نطاقات مختلفة من لزوجة الملاط والمحتوى الصلب، كما أنه يتمتع بقدرة تكيف أقوى مقارنة بتكنولوجيا طلاء النقل.

03

عيوب الطلاء والعوامل المؤثرة

يعد تقليل عيوب الطلاء، وتحسين جودة الطلاء وإنتاجيته، وخفض التكاليف أثناء عملية الطلاء من الجوانب المهمة التي يجب دراستها في عملية الطلاء. المشاكل الشائعة التي تحدث في عملية الطلاء هي الرأس السميك والذيل الرفيع والحواف السميكة على كلا الجانبين والبقع الداكنة والسطح الخشن والرقائق المكشوفة وغيرها من العيوب. يمكن تعديل سمك الرأس والذيل من خلال وقت الفتح والإغلاق لصمام الطلاء أو الصمام المتقطع. يمكن تحسين مشكلة الحواف السميكة عن طريق ضبط خصائص الملاط، وفجوة الطلاء، ومعدل تدفق الملاط، وما إلى ذلك. يمكن تحسين خشونة السطح، وعدم الاستواء، والخطوط عن طريق تثبيت الرقاقة، وتقليل السرعة، وضبط زاوية الهواء سكين، الخ.

الركيزة - الطين

العلاقة بين الخصائص الفيزيائية الأساسية للملاط والطلاء: في العملية الفعلية، لزوجة الملاط لها تأثير معين على تأثير الطلاء. تختلف لزوجة الملاط المحضر اعتمادًا على المواد الخام للإلكترود ونسبة الملاط ونوع الرابط المحدد. عندما تكون لزوجة الملاط عالية جدًا، غالبًا لا يمكن تنفيذ الطلاء بشكل مستمر وثابت، ويتأثر تأثير الطلاء أيضًا.

يتأثر التوحيد والثبات وتأثيرات الحافة والسطح لمحلول الطلاء بالخصائص الريولوجية لمحلول الطلاء، والتي تحدد بشكل مباشر جودة الطلاء. يمكن استخدام التحليل النظري، وتقنيات الطلاء التجريبية، وتقنيات العناصر المحدودة لديناميكيات الموائع، وطرق البحث الأخرى لدراسة نافذة الطلاء، وهو نطاق تشغيل العملية للطلاء المستقر والحصول على طلاء موحد.

الركيزة - رقائق النحاس ورقائق الألومنيوم

التوتر السطحي: يجب أن يكون التوتر السطحي لرقائق الألومنيوم النحاسية أعلى من التوتر السطحي للمحلول المطلي، وإلا سيكون من الصعب نشر المحلول بشكل مسطح على الركيزة، مما يؤدي إلى ضعف جودة الطلاء. أحد المبادئ التي يجب اتباعها هو أن التوتر السطحي للمحلول المراد طلاءه يجب أن يكون أقل بمقدار 5 داينات/سم من الركيزة، على الرغم من أن هذا مجرد تقدير تقريبي. يمكن تعديل التوتر السطحي للمحلول والركيزة عن طريق ضبط الصيغة أو المعالجة السطحية للركيزة. ينبغي أيضًا اعتبار قياس التوتر السطحي بين الاثنين بمثابة اختبار لمراقبة الجودة.

سمك موحد: في عملية مشابهة لطلاء الكاشطة، يمكن أن يؤدي السماكة غير المتساوية للسطح العرضي للركيزة إلى سماكة طلاء غير متساوية. لأنه في عملية الطلاء، يتم التحكم في سمك الطلاء من خلال الفجوة بين الكاشطة والركيزة. إذا كان هناك سمك أقل للركيزة أفقيًا، فسيكون هناك المزيد من المحلول الذي يمر عبر تلك المنطقة، وسيكون سمك الطلاء أيضًا أكثر سمكًا، والعكس صحيح. إذا كان من الممكن رؤية تقلب سمك الركيزة من مقياس السمك، فإن تقلب سمك الفيلم النهائي سيظهر أيضًا نفس الانحراف. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي انحراف السُمك الجانبي أيضًا إلى حدوث عيوب في اللف. لذلك، لتجنب مثل هذه العيوب، من المهم التحكم في سمك المواد الخام

الكهرباء الساكنة: على خط الطلاء، يتم توليد الكثير من الكهرباء الساكنة على سطح الركيزة عند تطبيقها على الفك والمرور عبر الأسطوانات. يمكن للكهرباء الساكنة المتولدة أن تمتص الهواء وطبقة الرماد الموجودة على الأسطوانة بسهولة، مما يؤدي إلى عيوب في الطلاء. أثناء عملية التفريغ، يمكن أن تتسبب الكهرباء الساكنة أيضًا في حدوث عيوب في المظهر الكهروستاتيكي على سطح الطلاء، والأخطر من ذلك أنها يمكن أن تسبب الحرائق. إذا كانت الرطوبة منخفضة في الشتاء، فإن مشكلة الكهرباء الساكنة على خط الطلاء ستكون أكثر وضوحًا. الطريقة الأكثر فعالية لتقليل هذه العيوب هي الحفاظ على الرطوبة البيئية عند أعلى مستوى ممكن، وتأريض سلك الطلاء، وتركيب بعض الأجهزة المضادة للكهرباء الساكنة.

النظافة: الشوائب الموجودة على سطح الركيزة يمكن أن تسبب بعض العيوب الجسدية، مثل النتوءات والأوساخ وغيرها. لذلك في عملية إنتاج الركائز، من الضروري التحكم في نظافة المواد الخام بشكل جيد. تعد بكرات تنظيف الأغشية عبر الإنترنت طريقة فعالة نسبيًا لإزالة شوائب الركيزة. على الرغم من أنه لا يمكن إزالة جميع الشوائب الموجودة على الغشاء، إلا أنه يمكن تحسين جودة المواد الخام بشكل فعال وتقليل الخسائر.

04

خريطة عيب أعمدة بطارية الليثيوم

[1] عيوب الفقاعات في طلاء القطب السالب لبطاريات الليثيوم أيون

لوحة القطب السالب مع الفقاعات في الصورة اليسرى والتكبير 200x للمجهر الإلكتروني الماسح في الصورة اليمنى. أثناء عملية الخلط والنقل والطلاء، يختلط الغبار أو الكتل الطويلة والأجسام الغريبة الأخرى في محلول الطلاء أو يسقط على سطح الطلاء الرطب. يتأثر التوتر السطحي للطلاء عند هذه النقطة بالقوى الخارجية، مما يسبب تغيرات في القوى بين الجزيئات، مما يؤدي إلى انتقال خفيف للملاط. بعد التجفيف، تتشكل علامات دائرية ذات مركز رفيع.

[2] الثقب

الأول هو توليد الفقاعات (عملية التحريك، عملية النقل، عملية الطلاء)؛ من السهل نسبيًا فهم عيب الثقب الناتج عن الفقاعات. تهاجر الفقاعات الموجودة في الفيلم الرطب من الطبقة الداخلية إلى سطح الفيلم، وتتمزق على السطح لتشكل عيبًا في الثقب. تأتي الفقاعات بشكل أساسي من ضعف السيولة، وضعف التسوية، وضعف إطلاق الفقاعات أثناء عمليات الخلط، ونقل السوائل، والطلاء.

[3] الخدوش

الأسباب المحتملة: تعلق الأجسام الغريبة أو الجزيئات الكبيرة في الفجوة الضيقة أو فجوة الطلاء، أو ضعف جودة الركيزة، مما يتسبب في سد فجوة الطلاء بين أسطوانة الطلاء والأسطوانة الخلفية، وإتلاف شفة القالب.

【4】 حافة سميكة

يرجع سبب تكوين الحواف السميكة إلى التوتر السطحي للملاط، مما يتسبب في انتقال الملاط نحو الحافة غير المطلية للقطب الكهربائي، وتشكيل حواف سميكة بعد التجفيف.

【5】 الجسيمات المجمعة على سطح القطب السالب

الصيغة: جرافيت كروي + SUPER C65 + CMC + ماء مقطر

التشكل الكلي للمستقطبات مع عمليتين مختلفتين للتحريك: سطح أملس (يسار) ووجود عدد كبير من الجزيئات الصغيرة على السطح (يمين)

الصيغة: جرافيت كروي + SUPER C65 + CMC/SBR + ماء مقطر

تضخم التشكل للجسيمات الصغيرة على سطح القطب (أ و ب): مجاميع العوامل الموصلة، غير مشتتة تمامًا.

مورفولوجيا موسعة لمستقطبات السطح الأملس: العامل الموصل مشتت بالكامل وموزع بالتساوي.

[6] جزيئات متكتلة على سطح القطب الموجب

الصيغة: NCA+أسيتيلين أسود+PVDF+NMP

أثناء عملية الخلط، تكون الرطوبة البيئية مرتفعة جدًا، مما يتسبب في أن يصبح الملاط مثل الهلام، ولا يتم تشتيت عامل التوصيل تمامًا، ويوجد عدد كبير من الجزيئات على سطح المستقطب بعد التدحرج.

【7】 تشققات في الصفائح القطبية للنظام المائي

الصيغة: NMC532/أسود الكربون/الموثق=90/5/5% بالوزن، ماء/مذيب أيزوبروبانول (IPA)

صور بصرية للشقوق السطحية على المستقطبات، بكثافة طلاء تبلغ (أ) 15 مجم/سم2، (ب) 17.5 مجم/سم2، (ج) 20 مجم/سم2، و (د) 25 مجم/سم2، على التوالي. المستقطبات السميكة أكثر عرضة للتشققات.

[8] انكماش سطح المستقطب

الصيغة: رقائق الجرافيت + SP + CMC / SBR + الماء المقطر

يؤدي وجود جزيئات ملوثة على سطح الرقاقة إلى انخفاض منطقة التوتر السطحي للفيلم الرطب على سطح الجزيئات. ينبعث الفيلم السائل ويهاجر نحو محيط الجزيئات، مما يشكل عيوب نقطة الانكماش.

[9] خدوش على سطح القطب

الصيغة: NMC532+SP+PVdF+NMP

طلاء بثق ذو درزات ضيقة، مع وجود جزيئات كبيرة على حافة القطع مما يتسبب في تسرب الرقائق وخدوش على سطح القطب الكهربائي.

[10] طلاء الخطوط العمودية

الصيغة: NCA+SP+PVdF+NMP

في المرحلة اللاحقة من طلاء النقل، تزداد لزوجة امتصاص الماء للملاط، وتقترب من الحد الأعلى لنافذة الطلاء أثناء الطلاء، مما يؤدي إلى ضعف تسوية الملاط وتشكيل خطوط عمودية.

[11] قم بلف الشقوق الملحة في المنطقة التي لم يجف فيها الفيلم القطبي بالكامل

الصيغة: رقائق الجرافيت + SP + CMC / SBR + الماء المقطر

أثناء الطلاء، لا تكون المنطقة الوسطى من المستقطب جافة تمامًا، وأثناء التدحرج، يهاجر الطلاء، مكونًا شقوقًا على شكل شريط.

[12] تجاعيد حافة الضغط على الأسطوانة القطبية

ظاهرة الحواف السميكة التي تتشكل نتيجة الطلاء والضغط على الأسطوانة وتجعد حواف الطلاء

[13] طلاء قطع القطب السالب منفصل عن الرقائق

التركيبة: جرافيت طبيعي + أسيتيلين أسود + CMC/SBR + ماء مقطر، نسبة المادة الفعالة 96%

عندما يتم قطع القرص القطبي، يتم فصل الطلاء والرقائق.

[14] نتوءات قطع الحواف

أثناء قطع قرص القطب الموجب، يؤدي التحكم في التوتر غير المستقر إلى تكوين نتوءات رقائقية أثناء القطع الثانوي.

【15】 حافة موجة قطع الشريحة القطبية

أثناء قطع قرص القطب السالب، بسبب التداخل والضغط غير الملائمين لشفرات القطع، تتشكل حواف الموجة وانفصال الطلاء عن الشق.

[16] تشمل عيوب الطلاء الشائعة الأخرى تسرب الهواء، والموجات الجانبية، والترهل، والريفوليت، والتمدد، وتلف المياه، وما إلى ذلك.

قد تحدث العيوب في أي مرحلة من مراحل المعالجة: إعداد الطلاء، إنتاج الركيزة، تشغيل الركيزة، منطقة الطلاء، منطقة التجفيف، القطع، الحز، عملية الدرفلة، وما إلى ذلك. ما هي الطريقة المنطقية العامة لحل العيوب؟

1. أثناء العملية من الإنتاج التجريبي إلى الإنتاج، من الضروري تحسين صيغة المنتج، وعملية الطلاء والتجفيف، والعثور على نافذة عملية جيدة أو واسعة نسبيًا.

2. استخدام بعض أساليب مراقبة الجودة والأدوات الإحصائية (SPC) لضبط جودة المنتجات. من خلال مراقبة سمك الطلاء المستقر والتحكم فيه عبر الإنترنت، أو استخدام نظام فحص المظهر المرئي (Visual System) للتحقق من وجود عيوب على سطح الطلاء.

3. عند حدوث عيوب في المنتج، قم بضبط العملية في الوقت المناسب لتجنب العيوب المتكررة.

05

توحيد الطلاء

يشير ما يسمى بتوحيد الطلاء إلى اتساق توزيع سمك الطلاء أو كمية المادة اللاصقة داخل منطقة الطلاء. كلما كان اتساق سمك الطلاء أو كمية المادة اللاصقة أفضل، كان توحيد الطلاء أفضل، والعكس صحيح. لا يوجد مؤشر قياس موحد لتجانس الطلاء، والذي يمكن قياسه بالانحراف أو نسبة الانحراف لسمك الطلاء أو كمية المادة اللاصقة عند كل نقطة في منطقة معينة نسبة إلى متوسط ​​سمك الطلاء أو كمية المادة اللاصقة في تلك المنطقة، أو عن طريق الفرق بين الحد الأقصى والحد الأدنى لسمك الطلاء أو كمية المادة اللاصقة في منطقة معينة. عادة ما يتم التعبير عن سمك الطلاء بالميكرومتر.

يتم استخدام توحيد الطلاء لتقييم حالة الطلاء العامة للمنطقة. لكن في الإنتاج الفعلي، عادة ما نهتم أكثر بالتوحيد في كلا الاتجاهين الأفقي والرأسي للركيزة. يشير ما يسمى بالتوحيد الأفقي إلى توحيد اتجاه عرض الطلاء (أو الاتجاه الأفقي للآلة). يشير ما يسمى بالتوحيد الطولي إلى التوحيد في اتجاه طول الطلاء (أو اتجاه حركة الركيزة).

توجد فروق ذات دلالة إحصائية في الحجم والعوامل المؤثرة وطرق التحكم في أخطاء تطبيق الغراء الأفقي والرأسي. بشكل عام، كلما زاد عرض الركيزة (أو الطلاء)، زادت صعوبة التحكم في التجانس الجانبي. بناءً على سنوات من الخبرة العملية في الطلاء عبر الإنترنت، عندما يكون عرض الركيزة أقل من 800 مم، عادة ما يتم ضمان التجانس الجانبي بسهولة؛ عندما يكون عرض الركيزة بين 1300-1800 مم، غالبًا ما يمكن التحكم في التوحيد الجانبي بشكل جيد، ولكن هناك صعوبة معينة ويتطلب مستوى كبير من الاحترافية؛ عندما يكون عرض الركيزة أعلى من 2000 مم، يكون التحكم في التوحيد الجانبي أمرًا صعبًا للغاية، ولا يتمكن سوى عدد قليل من الشركات المصنعة من التعامل معها بشكل جيد. عندما تزداد دفعة الإنتاج (أي طول الطلاء)، قد يصبح التوحيد الطولي صعوبة أو تحديًا أكبر من التوحيد العرضي.