Ny metod för att övervaka stabilitet och enhetlighet för batterielektroder
Med den breda tillämpningen av litiumjonbatterier inom områdena mobiltelefoner, datorer, bilar, energilagring etc. ökar människors krav på batterisäkerhet, energitäthet och effekttäthetsprestanda. För att förbättra energitätheten och effekttätheten för litiumjonbatterier måste vissa nya material och tekniker för litiumbatterier utvecklas omgående. Produktion av litiumjonbatterier består av flera processer. För att få ett batteri med hög säkerhet och tillförlitlighet och god prestandakonsistens är det nödvändigt att utveckla strikta övervakningsåtgärder för varje produktionsprocess för att säkerställa att defekta produkter inte strömmar ut på marknaden. För att spara produktionskostnader och förbättra produktionseffektiviteten, batteriföretagen hoppas att de snabbt kan identifiera avvikelser i förprocessskedet och vidta motsvarande förbättringsåtgärder i tid. De övervakningsmetoder som vanligtvis används av de flesta batteriföretag i den tidigare processen inkluderar huvudsakligen övervakning av följande parametrar: slurryns viskositet, slurryns fasta innehåll, beläggningskvalitet och packningsdensitet. Även om dessa metoder kan övervaka processfluktuationerna i viss utsträckning, räcker de inte. För att uppfylla kraven för att övervaka konsistensen av färdiga batterier. Batterielektroden är en viktig utgång i batteriets front-end-process. Batterielektrodens elektroniska resistans (konduktivitet) påverkar hela batteriets kraft, tillförlitlighet och säkerhet. Samtidigt är det nära relaterat till omrörnings-, beläggnings- och valsningsprocesserna. Därför,
För närvarande finns det två huvudprinciper för att testa den elektroniska resistansen hos en batterielektrod: fyrsondsmetoden och tvåsondsmetoden. Fyra-sondsmetoden kan bara karakterisera beläggningens motstånd på batterielektrodens yta, och ignorera gränssnittsresistansen hos beläggningen och strömavtagaren, vilket är oförenligt med den faktiska användningen av batterielektroden i batteriet, så det används inte för att testa resistansen hos litiumjonbatteriets batterielektrod1-2. Tvåsondsmetoden kan karakterisera batterielektrodens övergripande penetrationsresistans, inklusive beläggningsresistansen, beläggningens resistans och strömkollektorgränssnittet, och resistansen hos själva strömkollektorn, elektronledningsvägen under testet och elektronen när batterielektroden faktiskt används i batteriet Ledningsvägen är densamma, och de flesta företag och forskare använder denna metod för att karakterisera resistansen hos batterielektroden2-4. Metoden som används i den här artikeln är att göra ytterligare förbättringar på basis av två-sondsmetoden. Fyrtrådsmetoden används för att lägga till en dubbeldiskelektrod med kontrollerbar spänning för att testa batterielektrodens elektroniska resistans och övervaka förändringen av batterielektrodens resistans i beläggnings- och valsningsprocessen. Riskkontrollen av battericellen förs fram till batterielektrodens ände, vilket eskorterar forskning och utveckling och produktion av litiumjonbatterier.
1.Experimentell utrustning och testmetoder
1.1 Experimentell utrustning: modell BER1300 (IEST Initial Energy Science & Technology), elektroddiameter 14mm, applicerat tryck 25MPa, hålltid 25s.
Utrustningen visas i figur 1(a) och 1(b).
Figur 1.(a) BER1300 utseendediagram; (b) BER1300 strukturdiagram
1.2 Testmetod: skär den rullade batterielektroden till en rektangulär storlek på cirka 5 cm × 10 cm, placera den mellan de två elektroderna på batterielektrodmotståndsmätaren, ställ in testtrycket och hålltidsparametrarna på MRMS-programvaran, starta testet, programvara läser automatiskt data som batterielektrodtjocklek, resistans, resistivitet och konduktivitet.
Varje batterielektrod väljs slumpmässigt för testning vid 10 positioner, och variationskoefficienten COV beräknas enligt formeln.
(1). Ju större COV, desto sämre enhetlighet för batterielektroderna.
(1)Där n representerar antalet tester och R representerar medelvärdet av alla testmotstånd.
2. Processövervakningsärende
2.1 Batterielektrod Batch-stabilitetsövervakning
Resistansen hos batterielektroden påverkas av olika faktorer såsom spridning av det ledande medlet, beläggningsvikt, kallpressningsparametrar etc., och det ledande medlets inverkan på resistansen är mycket betydande3. Dispersionen av det ledande medlet för positiv elektrod är relaterad till många komplexa processkontrollparametrar såsom uppslamningsformulering, omrörningsförhållanden, beläggnings-/torkningsförhållanden, etc. Den ojämna spridningen av det ledande medlet kommer avsevärt att försämra batteriets dynamikprestanda, men ojämnheten är svåra att klara Konventionella övervakningsmetoder som filmutseende och vidhäftningsstyrka visar sig ofta lätt förbises, vilket orsakar irreparabela förluster.
I det tidiga skedet av cellforskning och utveckling, genom omfattande testning och övervakning av den ternära batterielektrodresistansen, etablerades initialt ett normalt batterielektrodresistansintervall på 0,2~0,4Ω. Efter att cellen införts i massproduktion utfördes resistansövervakning av olika batcher av batterielektroder. Figur 2(a) är ett batterielektrodresistanstest utfört på 6 batcher av batterielektroder. De svarta datapunkterna representerar det enkla testresistansvärdet, de röda datapunkterna representerar medelresistansen och de gröna datapunkterna representerar resistansens COV. Från resistansdata kan det konstateras att det finns 3 partier cellbatterielektroder med ett motstånd som är större än 0,4Ω, vilket uppenbarligen överstiger specifikationerna. Ytterligare SEM-morfologianalys utförs på batterielektroderna i normala och onormala satser, som visas i figur 2(b) och 2(c). Fördelningen av ledande kol i batterielektroderna i normala satser är mer enhetlig och det ledande kolet i batterielektroderna i onormala partier har uppenbara agglomerationsfenomen. Eftersom batterielektroderna väljs slumpmässigt vid olika positioner när resistansen hos batterielektroderna testas, kommer ojämn fördelning av ledande kol att orsaka att resistansen hos batterielektroden vid den position där det inte finns något ledande kol ökar markant. Därför, genom att övervaka förändringen i resistansen hos batterielektroden, kan en onormal batterielektrod snabbt identifieras vid batterielektrodens ände,
Figur 2.(a) 6 batcher av batterielektrodresistans; (b) batch 1 batterielektrod SEM-bild; (c) batch 4 batterielektrod SEM-bild;
2.2 Övervakning av enhetlighet för batterielektrodbeläggning
För att förbättra batteriernas energitäthet ökar gradvis forskningen om kisel-kol blandade material som anodmaterial för litiumjonbatterier. Hur man kontrollerar enhetligheten i fördelningen av kisel-kol blandade material i batterielektroderna har en betydande effekt på expansionen av den negativa elektroden och potentialfördelningen. Övervakning av förändringen av batterielektrodresistansen under olika processparametrar kan utvärdera blandningslikformigheten hos kiselkolmaterial.
Figur 3 visar resultaten av batterielektrodresistanstest och SEM-morfologikarakterisering av batterielektroderna för de två blandningsprocesserna. Från fig. 3(a) kan det ses att medelvärdet för batterielektrodresistansen och COV för blandning 1 är betydligt högre än för blandning 2, vilket indikerar att likformigheten för blandning 1 är sämre än för blandning 2. I kombination med den morfologiska SEM-analysen i figurerna 3(b) och 3(c) kan det ses att blandningen av kisel och kol i elektroden i Mixing 1 inte är enhetlig, och det finns fler individuella kiselpartiklar, vilket resulterar i i en ökning av medelvärdet för elektrodresistansen och resistansen hos batterielektroderna vid olika positioner är stor, så motståndet COV är stort,
Figur 3.(a) Två typer av blandad elektrodresistans; (b) SEM-bild av en blandningsbatterielektrod; (c) SEM-bild av mixing 2-batterielektroden;
3. Slutsats
I detta dokument används fyrtrådsmetoden plus reglerbar spänning dubbelskivelektrodmetoden för att testa resistansen hos batterielektroden, som bättre kan användas för att övervaka stabiliteten och enhetligheten hos batterielektrodprocessen, och batterielektrodresistansdata kan kopplas till BIS- eller MES-systemet i realtid. För att uppnå inspelningsbara och spårbara data. För närvarande har många material- och batteriföretag infört denna metod i produktionslinjens processövervakning för att snabbt och effektivt utvärdera processparametrarna och processstabiliteten, föra riskkontrollen av batterikärnan till batterielektrodänden och påskynda utvecklingen av litium -jonbatterier för att tillfredsställa marknadens behov.
Referenser
1.Xu Jieru, Li Hong, et al., Konduktivitetsmätning och analysmetoder inom litiumbatteriforskning Energilagringsvetenskap och -teknik,2018,7(5) 926-955.
2. Hiroki Kondo et al. Det aktiva materialets inverkan på den positiva elektrodens elektroniska ledningsförmåga i litiumjonbatterier. Journal of The Electrochemical Society, 2019,166 (8) A1285-A1290
3.BG Westphal et al. Inverkan av högintensiv torrblandning och kalandrering på den relativa elektrodresistiviteten bestäms via en avancerad tvåpunktsmetod. Journal of Energy Storage 2017, 11, 76–85
4. Nils Mainusch et al. Ny kontaktsond och metod för att mäta elektriska resistanser i batterielektroder Energiteknik. 2016, 4, 1550-1557