Đánh giá khả năng nén và mật độ nén của vật liệu bột pin lithium-ion

Các tính chất cơ bản của vật liệu bột

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp pin lithium-ion, ngày càng có nhiều vấn đề về an toàn trong việc sử dụng pin. Trong số đó, vấn đề vật chất là một vấn đề lớn không thể bỏ qua. Việc lựa chọn vật liệu và thành phần của hệ thống quyết định hiệu suất an toàn của pin. Khi lựa chọn vật liệu hoạt động tích cực, tiêu cực và vật liệu phân tách, nhà sản xuất đã không theo dõi các đặc tính và sự phù hợp của nguyên liệu thô, và pin sẽ tiềm ẩn nhiều mối nguy hiểm về an toàn. Hiện tại, trong quá trình phát triển tế bào pin, việc kiểm soát chất lượng tổng thể của vật liệu bột cũng nhận được rất nhiều sự quan tâm, trong đó chỉ số mật độ nén cũng là một chỉ số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin,

Theo miêu tả trong sách"Nguyên tắc và ứng dụng quy trình sản xuất pin lithium-ion"của ông Yang Shaobin, mật độ bột thường được coi là tổng trọng lượng của mẫu bột trên một đơn vị thể tích, mật độ bột có ba dạng là mật độ làm đầy, mật độ hạt và mật độ thực. Trong số đó, mật độ hạt còn được gọi là mật độ biểu kiến, bao gồm bản thân hạt và các vi lỗ bên trong, không bao gồm khoảng cách giữa các hạt. Mật độ thực chủ yếu đề cập đến tổng thể tích của bột và không bao gồm tổng thể tích thực của các vi hạt trong các hạt và các khoảng trống bên ngoài các hạt. Tổng thể tích của bột tương ứng với mật độ làm đầy bao gồm khoảng trống tổng thể giữa các hạt và các vi lỗ bên trong các hạt, còn được gọi là mật độ khối. Thứ tự kích thước giữa các mật độ khác nhau là: mật độ thực>mật độ hạt>mật độ làm đầy ^[1].

Mật độ làm đầy bao gồm mật độ khối, mật độ vòi và mật độ nén. Mật độ khối là mật độ tích tụ tự do của các hạt trong điều kiện không có áp suất. Mật độ vòi chủ yếu là mật độ làm đầy của bột sau khi kiểm tra độ rung. Mật độ nén là mật độ lấp đầy tổng thể của các hạt sau khi áp suất bên ngoài được áp dụng. Thứ tự so sánh mật độ lấp đầy là: Mật độ đầm nén>Mật độ nhấn>Mật độ số lượng lớn. Mật độ nén điện cực là một trong những chỉ số quan trọng trong quá trình thiết kế pin lithium-ion. Mật độ nén điện cực = mật độ bề mặt / (độ dày của điện cực sau khi cán - độ dày của bộ thu dòng điện), mật độ nén của vật liệu bột = trọng lượng bột sau khi ép / bột âm lượng sau khi ép; phép đo mật độ nén bột có thể đánh giá hiệu quả sự khác biệt của mật độ nén bột trong các điều kiện sửa đổi quy trình khác nhau trong nghiên cứu bột, và nó có ý nghĩa rất lớn đối với sự ổn định của quy trình sản xuất bột và giám sát nguyên liệu đầu vào^【1】.

Bột có tính lưu động tương tự như chất lỏng, khả năng nén tương tự như chất khí và có khả năng chống lại sự biến dạng của chất rắn. Nghiên cứu về bột chủ yếu dựa trên khoa học về tính chất của các tập hợp các hạt có hình dạng khác nhau. Kích thước hạt của nghiên cứu bột chủ yếu nằm trong khoảng 0,1 ~ 100μm và một phần nhỏ của các hạt có thể nhỏ tới 1nm hoặc lớn tới 1mm. Quá trình nén bột sẽ bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt bột và sự phân bố, hình dạng, mật độ, diện tích bề mặt cụ thể, phân bố khoảng trống, tính chất bề mặt, tính chất cơ học và tính chất dòng chảy, cuối cùng cho thấy sự khác biệt về hiệu suất làm đầy và hiệu suất nén. Quy trình cán điện cực trong quy trình sản xuất pin lithium-ion thực chất là một quy trình nén vật liệu điện cực dương và âm, và quá trình sắp xếp lại và cô đặc bột (Hình 1 là sơ đồ về quá trình phát triển cấu trúc vi mô trong quá trình cán lớp phủ điện cực), vì vậy nghiên cứu hiệu suất của bột cũng là trọng tâm của nghiên cứu và phát triển quy trình sửa đổi quy trình pin lithium-ion hiện tại. Trong bài báo này, dựa trên quy trình đo thực tế mật độ nén của bột pin lithium, một phân tích có hệ thống được thực hiện để làm rõ các chỉ số liên quan ảnh hưởng đến mật độ nén của bột, phép đo hiệu suất nén và lựa chọn các tham số , để đảm bảo tính hiệu quả và hợp lý của việc đánh giá mật độ nén chặt vì vậy nghiên cứu về hiệu suất của bột cũng là trọng tâm của nghiên cứu và phát triển quy trình sửa đổi quy trình pin lithium-ion hiện tại. Trong bài báo này, dựa trên quy trình đo thực tế mật độ nén của bột pin lithium, một phân tích có hệ thống được thực hiện để làm rõ các chỉ số liên quan ảnh hưởng đến mật độ nén của bột, phép đo hiệu suất nén và lựa chọn các tham số , để đảm bảo tính hiệu quả và hợp lý của việc đánh giá mật độ nén chặt vì vậy nghiên cứu về hiệu suất của bột cũng là trọng tâm của nghiên cứu và phát triển quy trình sửa đổi quy trình pin lithium-ion hiện tại. Trong bài báo này, dựa trên quy trình đo thực tế mật độ nén của bột pin lithium, một phân tích có hệ thống được thực hiện để làm rõ các chỉ số liên quan ảnh hưởng đến mật độ nén của bột, phép đo hiệu suất nén và lựa chọn các tham số , để đảm bảo tính hiệu quả và hợp lý của việc đánh giá mật độ nén chặt^{【1, 2】}.

Hình 1 (a) Sơ đồ tiến hóa cấu trúc vi mô của vật liệu phủ trong quá trình cán tấm điện cực dương (b) tấm điện cực âm^【2】

Thuộc tính nén & điền bột

Sau khi bột được ép bằng ngoại lực, trong điều kiện áp suất nhỏ, độ khít giữa các hạt bột không chặt, độ xốp giữa các bột lớn; với sự gia tăng của ngoại lực, các hạt bột chảy và sắp xếp lại để tạo thành trạng thái đóng gói nhỏ gọn, và tỷ lệ rỗng giữa các hạt cũng giảm; khi áp suất tiếp tục tăng, các hạt bột bị biến dạng đàn hồi, độ xốp giữa các hạt không thay đổi nhiều, nhưng kích thước lỗ rỗng của hạt sẽ giảm; với sự gia tăng hơn nữa của áp suất, một phần của các hạt bột sẽ bị biến dạng dẻo không thể đảo ngược và kích thước lỗ rỗng của hạt sẽ giảm hơn nữa; đồng thời, hệ thống hạt giòn sẽ bị phá vỡ và kích thước lỗ rỗng của hạt sẽ giảm đáng kể. ^[1].

Khả năng nén của bột là trọng tâm nghiên cứu tính chất cơ học của bột, và nó đã được nghiên cứu tương đối toàn diện trong lĩnh vực dược phẩm, trong lĩnh vực pin lithium-ion, người ta thường chú ý nhiều hơn đến hiệu suất nén của pin thành phẩm. Với sự phát triển của ngành công nghiệp pin lithium-ion và tầm quan trọng của các chỉ số mật độ nén vật liệu, hiệu suất nén của vật liệu bột đang dần được các nhà nghiên cứu chú ý và ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu hy vọng xác định mức độ phù hợp của từng giai đoạn của quy trình quá trình phát triển từ việc đánh giá các đặc tính nén đa cấp của bột, điện cực và pin. Máy đo mật độ nén và kháng bột sê-ri PRCD do IEST sản xuất hiện có gần 200+ nhóm khách hàng trong ngành pin lithium. Hiện nay, nó chủ yếu được sử dụng như một phương tiện hiệu quả để đánh giá sự khác biệt trong các chỉ số sửa đổi quy trình của vật liệu bột và đánh giá độ ổn định của lô, ngoài việc xác định chỉ số mật độ nén và lực cản cơ bản, thiết bị còn có thể thực hiện đánh giá khả năng nén của bột nguyên vật liệu.

Hình 2 là sơ đồ của thiết bị kiểm tra mật độ nén và kháng bột sê-ri PRCD và các chức năng kiểm tra hiệu suất nén, trong số đó, (a) & (b) là các phương pháp kiểm tra giảm áp suất để đánh giá hiệu suất nén. Các hạt bột được nén với biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Khi áp suất lên các hạt bột được giải phóng, phần biến dạng đàn hồi sẽ phục hồi, kết hợp với chế độ cài đặt áp suất ở hình 2(a), độ dày của bột sau khi giảm áp được trừ vào độ dày của bột sau khi nén để xác định độ dày của bột. độ dày phục hồi của bột, Hình 2 (b) cho thấy đường cong biến thiên của chênh lệch độ dày phục hồi giữa các vật liệu khác nhau với áp suất, và độ dày phục hồi của vật liệu tăng dần và có xu hướng ổn định với sự gia tăng của áp suất tác dụng. Kết hợp với cơ chế của quá trình nén bột, khi bản thân bột bị vỡ, biến dạng dẻo không thể đảo ngược chiếm tỷ lệ lớn và độ dày phục hồi của vật liệu sẽ không phục hồi sau khi giảm áp, đây cũng là mục đích ban đầu của sự phát triển của phương pháp kiểm tra giảm áp suất. Hy vọng rằng có thể đạt được đặc tính của sự vỡ hạt bột thông qua chế độ kiểm tra giảm áp suất. Hình 2(c) và (d) hiển thị chế độ áp suất thử ở trạng thái ổn định và kết quả thử ở trạng thái ổn định. Phương pháp này chủ yếu đặc trưng cho đường cong phần trăm biến dạng độ dày ứng suất nén nén bột. Trong số đó,

Hình 2. Thiết bị kiểm tra mật độ nén và kháng bột sê-ri IEST PRCD và chức năng kiểm tra hiệu suất nén

Mật độ nén bột

Trong quá trình nén vật liệu bột, khoảng trống giữa bột và các hạt sẽ thay đổi. Phương trình Heckel có thể được sử dụng để biểu thị mối quan hệ giữa hệ số rỗng và áp suất nén. Nó cũng là một công thức bán kinh nghiệm tóm tắt những thay đổi về lực nén và mật độ. Độ xốp (1) và phương trình Heckel (2) như sau^[4]:

Trong số đó, ρbulk là mật độ làm đầy của bột, ρbulk là mật độ thực của bột, p là áp suất; D là mật độ lấp đầy tương đối của bột khi áp suất là p, và độ xốp ε=1-D, k và A là các hằng số, có thể thu được từ độ dốc và giao điểm của phần đường thẳng của công thức thực nghiệm. Ý nghĩa của A có thể được làm rõ bằng cách kết hợp công thức A= Ln [1/(1-DA)], trong đó mật độ tương đối DA là mật độ tối đa trước khi biến dạng sau khi sắp xếp lại hạt ở áp suất thấp và giá trị này có thể liên quan chặt chẽ đến mật độ nén của lớp điện cực pin lithium-ion; k là thông số đo độ dẻo của bột. Giá trị của k càng lớn thì sự thay đổi mật độ sẽ càng lớn dưới cùng một áp suất và độ dẻo của vật liệu bột cũng sẽ lớn hơn.

Việc đánh giá mật độ nén bột trong quy trình thiết kế và sản xuất pin lithium-ion hiện tại đã trở thành một chỉ số quan trọng đối với nhiều nhà máy sản xuất vật liệu và OEM, phép đo độ ổn định của mật độ nén bột đặc biệt quan trọng. Đo mật độ nén bột thực chất là tỷ lệ giữa tổng trọng lượng của tấm với tổng thể tích sau khi nén, là mật độ lấp đầy của bột sau khi nén ở các áp suất khác nhau, trong quá trình đo thực tế, con người, máy móc, vật liệu , phương pháp, môi trường, v.v. đều là những chỉ số chính ảnh hưởng đến phép đo. Phụ lục L của tiêu chuẩn quốc gia GB/T 24533-2019 quy định sơ đồ đo mật độ nén bột, trong đó, phương pháp đo thủ công độ dày của bột sau khi ép mẫu bột chủ yếu được kết hợp với máy ép viên thủ công để lấy độ dày của bột sau khi nén, sau đó tính mật độ nén của bột, phần đo độ dày của tiêu chuẩn này Phương pháp này được đo sau khi áp suất trên đầu bột được giải phóng sau khi hoàn thành áp suất, thực tế tương tự như phương pháp thử nghiệm giảm áp suất trong Hình 2 (a). Với sự chú ý ngày càng tăng đến mật độ nén, ngày càng có nhiều thiết bị kiểm tra chuyên nghiệp để xác định mật độ nén, so với phương pháp kiểm tra hỗ trợ máy tính bảng, hầu hết các thiết bị tích hợp hiện tại để đo áp suất và độ dày đều được trang bị máy tính ổn định thấp hơn hệ thống điều khiển,

Liên quan đến khả năng thử nghiệm hiện tại của các phòng thí nghiệm khác nhau, thử nghiệm mật độ nén chủ yếu bao gồm thử nghiệm giảm áp suất một điểm, thử nghiệm đa điểm áp suất thay đổi, thử nghiệm liên tục giảm áp suất và giảm áp suất thay đổi, hình 3 cho thấy kết quả thử nghiệm mật độ nén của các vật liệu khác nhau trong điều kiện áp suất thay đổi. Quá trình này đi kèm với áp suất liên tục của vật liệu bột, có liên quan mật thiết đến khả năng nén của bột. Ứng dụng của chỉ số mật độ nén trong nghiên cứu và phát triển thường được đo trong điều kiện áp suất thay đổi và kết hợp với kích thước hạt bột, phân bố kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng và tỷ lệ rỗng để phân tích thêm; đồng thời, nó cũng có thể được kết hợp với hiệu suất của quy trình tiếp theo để tiến hành đánh giá tương quan. Ngoài ra, trong việc áp dụng mật độ đầm nén trong theo dõi độ ổn định của lô, nó chắc chắn liên quan đến kết quả đo điểm chuẩn của các loại thiết bị khác nhau từ các nhà sản xuất khác nhau. bản thân phép đo mật độ nén có liên quan mật thiết đến phương pháp điều áp của thiết bị, phương pháp đo độ dày, lựa chọn kích thước của khuôn thử nghiệm, thể tích lấy mẫu và các chỉ số khác. Nếu so sánh đối sánh cần làm rõ hơn mối tương quan của từng chỉ tiêu, và cuối cùng là xác định các tham số đối sánh hiệu quả; nếu có sự khác biệt lớn về chức năng của thiết bị liên quan, sự khác biệt tuyệt đối của kết quả kiểm tra của các thiết bị khác nhau có thể được sử dụng để làm rõ sự khác biệt về khả năng kiểm tra và sau đó là điểm chuẩn; tóm lại, điều rất quan trọng là phải làm rõ sự khác biệt về tham số. Đầu tiên, các thông số được chỉ định, sau đó được kiểm tra và so sánh để tránh lãng phí thời gian và chi phí.

Hình 3. Xác định mật độ nén của các vật liệu bột khác nhau trong điều kiện dao động áp suất

Bản tóm tắt

Khả năng nén và mật độ nén của vật liệu bột có liên quan chặt chẽ với nhau, và chỉ số mật độ nén của bột cũng là một chỉ số chính ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, mức độ mật độ nén có liên quan chặt chẽ với kích thước hạt và sự phân bố của vật liệu chính chính tích cực và tiêu cực bột điện cực, và có liên quan mật thiết đến dung lượng, điện trở trong của pin, tuổi thọ của pin, v.v., điều này có ý nghĩa rất lớn đối với việc đánh giá mật độ nén.

Tài liệu tham khảo

【1】Dương Thiếu Bân, Lương Chính. Nguyên tắc và ứng dụng của quy trình sản xuất pin lithium-ion.

【2】mikoWoo@cuộc sống lý tưởng. Cơ sở lý thuyết và công nghệ điện cực của pin lithium-ion.

【3】BKKA , ASA , AHN , v.v. Chuẩn bị ánh xạ điện trở trong để tối ưu hóa độ dày và mật độ điện cực bằng cách sử dụng tế bào đối xứng cho pin và tụ điện lithium-ion hiệu suất cao[J]. Tạp chí Nguồn điện, 2018, 396:207-212.

【4】Lu Guoning, Huang Wanting, Li Gensheng, et al. Nghiên cứu ứng dụng các mô hình nén khác nhau trong nén 4 tá dược bột [J]. Tạp chí Khoa học Dược phẩm Trung Quốc, 2018, 53(23): 8. DOI: CNKI: SUN: ZGYX.0.2018-23-008.