Оборудование лабораторной линии для производства литий-ионных монетных ячеек для научно-исследовательских задач

1. Подготовка материалов

(1) Прокалка материалов

Первым этапом является проверка и прокалка аккумуляторных материалов. Обычно токопроводящий агент прокаливается при 120℃ в течение 8 часов. Порошок PVDF прокаливается при 80℃ в течение 8 часов. Необходимость прокалки катодного активного материала (LFP, NCM и т. д.) зависит от его состояния и технологии поступления. Анод литиевого аккумулятора состоит из активного материала анода, токопроводящего агента, связующего и диспергирующего вещества. Для анодной пасты обычно используется водный метод смешивания (растворитель — деионизированная вода), поэтому сушка исходного материала не требуется. Требования к процессу: проводимость деионизированной воды ≤1 μS/см, температура в помещении ≤40℃, влажность ≤25% RH.

(2) Смешивание шликера

Смешивание катодного материала

При смешивании активного материала катода необходимо обращать внимание на последовательность загрузки (добавить катодный активный материал и токопроводящий агент, медленно перемешать, затем добавить связующее), время и пропорции подачи строго по технологии. Также важно строго контролировать вращение и скорость оборудования, уровень вакуума и температуру перемешивания. При выгрузке шликер должен быть отфильтрован. Цель фильтрации — удалить крупные частицы, осадки и ферромагнитные вещества. Наличие крупных частиц при нанесении покрытия может привести к риску короткого замыкания. Избыток ферромагнитных включений может привести к чрезмерному саморазряду аккумулятора.

1. Нанесение электродного покрытия

Покрытие катода представляет собой экструзионное нанесение или распыление катодного шликера на токопроводящий алюминиевый фольгированный коллектор, плотность покрытия с одной стороны составляет 20–40 мг/см². Покрытие анода — это экструзионное нанесение или распыление анодного шликера на токопроводящую медную фольгу анодного коллектора.

1. Сушка электродов

При сушке электродных пластин необходимо учитывать три параметра: температура, время и атмосфера прокалки. Температура выпаривания растворителя NMP должна быть выше 100 ℃. При обеспечении сушки желательно снизить температуру и увеличить время прокалки. Для материалов, склонных к окислению или нестабильных при высоких температурах, требуется сушка в инертной атмосфере. Условия сушки также могут определяться прямым измерением остаточной влажности в электроде.

1. Прессование валками

После нанесения покрытия сухой композитный слой остаётся рыхлым. При прямом использовании он может легко отслаиваться или разрушаться после пропитки электролитом. Для уплотнения используется каландр (пресс-валки). Обычно катодное покрытие прокатывается до толщины 15–60 мкм. После прессования улучшаются стабильность, прочность и электрохимические свойства электрода, а тестовые характеристики превосходят образцы без прессования.

1. Высечка дисков (электрод и сепаратор)

Подготовленную электродную пластину помещают на пуансонный пресс и вырубают круглые электроды. Диаметр заготовки регулируется по размеру пресс-штампа. Готовые электроды проходят отбор: предпочтение отдаётся образцам без заусенцев, с ровной кромкой и без осыпания порошка.

1. Сушка электрода и сепаратора

Электрод помещается в вакуумную сушильную печь, создаётся вакуум до 0.1 МПа, задаются температура и время сушки. Обычно проводится прокалка при 120 ℃ в течение 6 часов. Цель — окончательное удаление влаги из электрода.

1. Сборка ячейки формата Coin Cell

Подготовленные электроды переносятся в перчаточный бокс с инертной атмосферой. Готовятся компоненты для сборки монетной ячейки: корпус анода, литиевая металлическая пластина, сепаратор, уплотнительное кольцо, пружинная пластина (никелевая пена), корпус катода, электролит, а также обжимной пресс, пипетка и изолирующий пинцет.

1. Обжим ячейки

Анодной стороной вверх монетную ячейку устанавливают в обжимной пресс. Разлитый электролит можно впитать бумажной салфеткой. Затем выполняется обжим аккумулятора, завершается сборка и формируется готовая ячейка. Извлекается изолированным пинцетом, проверяется внешний вид, при необходимости очищается бумажной салфеткой.

1. Тестирование

После завершения всех вышеперечисленных этапов можно приступать к тестированию собранной монетной ячейки с помощью аккумуляторного тестера.