Phương pháp mới để theo dõi độ ổn định và tính đồng nhất của điện cực pin

Với ứng dụng rộng rãi của pin lithium-ion trong lĩnh vực điện thoại di động, máy tính, ô tô, lưu trữ năng lượng, v.v., nhu cầu của mọi người về an toàn pin, mật độ năng lượng và hiệu suất mật độ năng lượng ngày càng tăng. Để cải thiện mật độ năng lượng và mật độ năng lượng của pin lithium ion, cần khẩn trương phát triển một số vật liệu và công nghệ mới cho pin lithium. Quá trình sản xuất pin lithium-ion bao gồm nhiều quy trình. Để có được pin có độ an toàn, độ tin cậy cao và tính nhất quán hiệu suất tốt, cần phải xây dựng các biện pháp giám sát chặt chẽ cho từng quy trình sản xuất để đảm bảo rằng các sản phẩm bị lỗi không tràn ra thị trường. Để tiết kiệm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả sản xuất, các công ty pin hy vọng rằng họ có thể nhanh chóng xác định những bất thường trong giai đoạn tiền xử lý và đưa ra các biện pháp cải tiến tương ứng kịp thời. Các phương pháp giám sát thường được hầu hết các công ty sản xuất pin sử dụng trong quy trình trước đây chủ yếu bao gồm giám sát các thông số sau: độ nhớt của bùn, hàm lượng chất rắn của bùn, chất lượng lớp phủ và mật độ nén. Mặc dù các phương pháp này có thể theo dõi các biến động của quy trình ở một mức độ nhất định, nhưng chúng vẫn chưa đủ. Để đáp ứng yêu cầu giám sát tính nhất quán của pin thành phẩm. Điện cực của pin là một đầu ra quan trọng của quy trình hoàn thiện pin. Điện trở (độ dẫn điện) của điện cực pin ảnh hưởng đến năng lượng, độ tin cậy và an toàn của toàn bộ pin. Đồng thời, nó liên quan chặt chẽ đến các quá trình khuấy, tráng và cán. Vì thế,

Hiện tại, có hai nguyên tắc chính để kiểm tra điện trở điện tử của điện cực pin: phương pháp bốn đầu dò và phương pháp hai đầu dò. Phương pháp bốn đầu dò chỉ có thể mô tả điện trở của lớp phủ trên bề mặt điện cực pin, bỏ qua điện trở giao diện của lớp phủ và bộ thu dòng điện, điều này không phù hợp với việc sử dụng thực tế điện cực pin trong pin, vì vậy nó không được sử dụng để kiểm tra điện trở của điện cực pin của pin lithium ion^{1- 2}. Phương pháp hai đầu dò có thể mô tả điện trở trong thâm nhập tổng thể của điện cực pin, bao gồm điện trở của lớp phủ, điện trở của lớp phủ và giao diện của bộ thu dòng, và điện trở của chính bộ thu dòng, đường dẫn điện tử trong quá trình thử nghiệm và điện tử khi điện cực pin thực sự được sử dụng trong pin Đường dẫn điện là như nhau, và hầu hết các công ty và nhà nghiên cứu khoa học sử dụng phương pháp này để mô tả điện trở của điện cực pin^2-4. Phương pháp được sử dụng trong bài viết này là cải tiến hơn nữa trên cơ sở phương pháp hai đầu dò. Phương pháp bốn dây được sử dụng để thêm điện cực đĩa đôi điện áp có thể điều khiển để kiểm tra điện trở điện tử của điện cực pin và theo dõi sự thay đổi của điện trở điện cực pin trong quá trình phủ và cán. Việc kiểm soát rủi ro của tế bào pin được nâng cao đến đầu điện cực của pin, do đó hỗ trợ việc nghiên cứu và phát triển và sản xuất pin lithium ion.

1.Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thử

1.1 Thiết bị thí nghiệm: model BER1300 (IEST Initial Energy Science & Technology), đường kính điện cực 14mm, áp suất 25MPa, thời gian giữ 25s. 

Thiết bị được thể hiện trong Hình 1(a) và 1(b).

Hình 1.(a) Sơ đồ ngoại hình BER1300; (b) Sơ đồ cấu trúc BER1300

1.2 Phương pháp kiểm tra: cắt điện cực pin đã cuộn thành hình chữ nhật có kích thước khoảng 5cm × 10cm, đặt vào giữa hai điện cực của máy đo điện trở điện cực pin, đặt các thông số áp suất kiểm tra và thời gian giữ trên phần mềm MRMS, bắt đầu kiểm tra, phần mềm tự động Đọc dữ liệu như độ dày, điện trở, điện trở suất và độ dẫn điện của pin.

Mỗi điện cực của pin được chọn ngẫu nhiên để thử nghiệm ở 10 vị trí và hệ số biến thiên COV được tính theo công thức.

(1). COV càng lớn thì độ đồng đều của điện cực pin càng kém.

(1)Trong đó n đại diện cho số lượng bài kiểm tra và R đại diện cho giá trị trung bình của tất cả các điện trở thử nghiệm.

2.Trường hợp giám sát quá trình

2.1 Theo dõi độ ổn định lô điện cực pin

Điện trở của điện cực pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như độ phân tán của chất dẫn điện, trọng lượng lớp phủ, thông số ép nguội, v.v., và ảnh hưởng của chất dẫn điện đến điện trở là rất đáng kể³. Sự phân tán của chất dẫn điện cực dương có liên quan đến nhiều thông số điều khiển quy trình phức tạp như công thức huyền phù, điều kiện khuấy, điều kiện sơn/làm khô, v.v. khó vượt qua Các phương pháp giám sát thông thường như bề ngoài màng và độ bền kết dính thường dễ bị bỏ qua, gây ra những tổn thất không thể khắc phục.

Trong giai đoạn đầu của quá trình nghiên cứu và phát triển tế bào, thông qua thử nghiệm và giám sát rộng rãi điện trở của điện cực pin ternary, phạm vi điện trở của điện cực pin thông thường là 0,2 ~ 0,4Ω ban đầu được thiết lập. Sau khi tế bào được đưa vào sản xuất hàng loạt, việc theo dõi điện trở của các lô điện cực pin khác nhau đã được thực hiện. Hình 2(a) là thử nghiệm điện trở của điện cực pin được tiến hành trên 6 lô điện cực pin. Các điểm dữ liệu màu đen biểu thị giá trị điện trở thử nghiệm đơn lẻ, các điểm dữ liệu màu đỏ biểu thị điện trở trung bình và các điểm dữ liệu màu xanh lá cây biểu thị điện trở COV. Từ dữ liệu điện trở, có thể thấy rằng có 3 lô điện cực pin di động có điện trở lớn hơn 0,4Ω, rõ ràng là vượt quá thông số kỹ thuật. Phân tích hình thái SEM sâu hơn được thực hiện trên các điện cực pin của các lô bình thường và bất thường, như trong Hình 2(b) và 2(c), Sự phân bố carbon dẫn điện trong các điện cực pin của các lô bình thường đồng đều hơn và carbon dẫn điện trong các điện cực pin của lô bất thường có hiện tượng kết tụ rõ ràng. Do các điện cực của pin được chọn ngẫu nhiên ở các vị trí khác nhau khi kiểm tra điện trở của các điện cực của pin, nên sự phân bố carbon dẫn điện không đồng đều sẽ khiến điện trở của điện cực pin ở vị trí không có carbon dẫn điện tăng lên đáng kể. Do đó, bằng cách theo dõi sự thay đổi điện trở của điện cực pin, có thể nhanh chóng xác định điện cực pin bất thường ở đầu điện cực pin,

Hình 2.(a) 6 lô điện trở của pin; ( b ) ảnh SEM điện cực pin lô 1; ( c ) ảnh SEM điện cực pin lô 4;

2.2 Giám sát tính đồng nhất của lớp phủ điện cực pin

Để cải thiện mật độ năng lượng của pin, nghiên cứu về vật liệu hỗn hợp silicon-carbon làm vật liệu cực dương cho pin lithium-ion đang dần tăng lên. Cách kiểm soát tính đồng nhất của sự phân bố vật liệu hỗn hợp silicon-cacbon trong các điện cực của pin có ảnh hưởng đáng kể đến sự giãn nở của điện cực âm và sự phân bố tiềm năng. Theo dõi sự thay đổi của điện trở điện cực pin theo các thông số quy trình khác nhau có thể đánh giá tính đồng nhất của vật liệu silicon carbon.

Hình 3 cho thấy kết quả kiểm tra điện trở điện cực pin và đặc tính hình thái SEM của các điện cực pin của hai quá trình trộn. Từ Hình 3(a), có thể thấy rằng giá trị trung bình của điện trở điện cực pin và COV của Hỗn hợp 1 cao hơn đáng kể so với Hỗn hợp 2, cho thấy tính đồng nhất của Hỗn hợp 1 kém hơn so với Hỗn hợp 2. Kết hợp với phân tích hình thái SEM của Hình 3(b) và 3(c), có thể thấy rằng sự pha trộn giữa silicon và carbon trong điện cực của Hỗn hợp 1 không đồng nhất và có nhiều hạt silicon riêng lẻ hơn, dẫn đến kết quả là trong sự gia tăng giá trị trung bình của điện trở điện cực và điện trở của các điện cực pin ở các vị trí khác nhau lớn, do đó điện trở COV lớn,

Hình 3.(a) Hai loại điện trở hỗn hợp; ( b ) Ảnh SEM của điện cực pin trộn 1; (c) Ảnh SEM của điện cực trộn 2 pin;

3. Kết luận

Trong bài báo này, phương pháp bốn dây cộng với phương pháp điện cực đĩa đôi điện áp có thể điều khiển được sử dụng để kiểm tra điện trở của điện cực pin, có thể được sử dụng tốt hơn để theo dõi tính ổn định và tính đồng nhất của quy trình điện cực pin và dữ liệu điện trở của điện cực pin có thể được kết nối với hệ thống BIS hoặc MES trong thời gian thực. Để đạt được dữ liệu có thể ghi lại và theo dõi được. Hiện tại, nhiều công ty vật liệu và pin đã đưa phương pháp này vào giám sát quy trình dây chuyền sản xuất để đánh giá nhanh chóng và hiệu quả các thông số quy trình và độ ổn định của quy trình, nâng cao khả năng kiểm soát rủi ro của lõi pin đến đầu điện cực pin và thúc đẩy sự phát triển của lithium pin -ion để đáp ứng nhu cầu của thị trường.

Người giới thiệu

1.Xu Jieru, Li Hong, et al.,Các phương pháp phân tích và đo lường độ dẫn điện trong nghiên cứu pin lithium Khoa học và công nghệ lưu trữ năng lượng,2018,7(5) 926-955.

2.Hiroki Kondo et al. Ảnh hưởng của Vật liệu hoạt động đến Độ dẫn điện tử của Điện cực dương trong Pin Lithium-Ion. Tạp chí Hiệp hội Điện hóa, 2019,166 (8) A1285-A1290

3.BG Westphal et al. Ảnh hưởng của quá trình cán và trộn khô cường độ cao đối với điện trở suất tương đối của điện cực được xác định thông qua phương pháp tiếp cận hai điểm nâng cao. Tạp chí Lưu trữ Năng lượng 2017, 11, 76–85

4.Nils Mainusch và cộng sự. Đầu dò tiếp xúc mới và phương pháp đo điện trở trong điện cực pin Technol Energy. 2016, 4, 1550-1557