리튬전지의 코팅공정 및 불량

리튬전지의 코팅공정 및 불량

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코팅 공정이 리튬 배터리 성능에 미치는 영향

극성코팅이란 일반적으로 교반된 슬러리를 집전체에 균일하게 코팅하고, 슬러리 중의 유기용매를 건조시키는 공정을 말한다. 코팅 효과는 배터리 용량, 내부 저항, 사이클 수명, 안전성에 큰 영향을 미치며 전극의 균일한 코팅을 보장합니다. 코팅 방법 및 제어 매개변수의 선택은 리튬 이온 배터리의 성능에 중요한 영향을 미치며 주로 다음과 같이 나타납니다.

1) 코팅 건조온도 조절 : 코팅시 건조온도가 너무 낮으면 전극의 완전한 건조를 보장할 수 없습니다. 온도가 너무 높으면 전극 내부의 유기 용매가 급속히 증발하여 전극 표면 코팅에 균열, 박리 및 기타 현상이 발생할 수 있습니다.

2) 코팅면 밀도: 코팅면 밀도가 너무 작으면 배터리 용량이 공칭 용량에 도달하지 못할 수 있습니다. 코팅 표면 밀도가 너무 높으면 재료 낭비가 발생하기 쉽습니다. 심한 경우 양극 용량이 너무 많으면 리튬 석출로 인해 리튬 수지상이 형성되어 배터리 분리막을 뚫고 단락을 일으켜 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

3) 코팅 크기: 코팅 크기가 너무 작거나 너무 크면 배터리 내부 양극이 음극으로 완전히 덮이지 않을 수 있습니다. 충전 과정에서 리튬 이온은 양극에서 내장되어 음극으로 완전히 덮이지 않은 전해액으로 이동합니다. 양극의 실제 용량을 효율적으로 활용할 수 없습니다. 심한 경우 배터리 내부에 리튬 수상돌기가 형성되어 분리막에 쉽게 구멍이 나고 내부 회로가 손상될 수 있습니다.

4) 코팅 두께: 코팅 두께가 너무 얇거나 너무 두꺼우면 후속 전극 롤링 공정에 영향을 미치고 배터리 전극 성능의 일관성을 보장할 수 없습니다.

또한, 전극 코팅은 배터리의 안전성에 있어서 매우 중요한 의미를 갖습니다. 코팅 전, 코팅 공정 중 입자, 이물질, 먼지 등이 전극에 혼입되지 않도록 5S 작업을 해야 합니다. 이물질이 섞이면 배터리 내부에 미세한 단락이 발생해 심한 경우 화재 및 폭발로 이어질 수 있습니다.

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코팅 장비 선택 및 코팅 공정

일반적인 코팅 공정에는 풀기 → 접합 → 당김 → 장력 조절 → 코팅 → 건조 → 교정 → 장력 조절 → 교정 → 권취 및 기타 공정이 포함됩니다. 코팅 공정은 복잡하며, 코팅 장비의 제조 정확도, 장비 작동의 원활성, 코팅 공정 중 동적 장력 제어, 코팅 중 공기 흐름의 크기 등 코팅 효과에 영향을 미치는 요소도 많이 있습니다. 건조 과정 및 온도 제어 곡선. 따라서 적합한 코팅 공정을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

코팅 방법의 일반적인 선택은 코팅할 층 수, 습식 코팅의 두께, 코팅액의 유변학적 특성, 필요한 코팅 정확도, 코팅 지지체 또는 기판 등을 포함한 다음 측면을 고려해야 합니다. 코팅 속도.

위의 요소 외에도 전극 코팅의 구체적인 상황과 특성도 고려해야 합니다. 리튬이온 배터리 전극 코팅의 특징은 다음과 같습니다. ① 양면 단일층 코팅; ② 슬러리의 습식 코팅은 상대적으로 두껍습니다(100-300μm). ③ 슬러리는 비뉴턴성 고점도 유체입니다. ④ 극성 필름 코팅도 필름 코팅과 마찬가지로 정밀도 요구 사항이 높습니다. ⑤ 지지체를 10~20μ 두께의 알루미늄박과 m의 구리박으로 코팅하고; ⑥ 필름코팅속도에 비해 극성필름코팅속도는 빠르지 않습니다. 위의 요소를 고려하여 일반 실험실 장비는 스크레이퍼 유형을 사용하는 경우가 많고, 소비자용 리튬 이온 배터리는 롤러 코팅 전사 유형을 사용하는 경우가 많으며, 전원 배터리는 좁은 슬롯 압출 방법을 사용하는 경우가 많습니다.

스크레이퍼 코팅: 작동 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 포일 기판은 코팅 롤러를 통과하여 슬러리 탱크에 직접 접촉합니다. 과잉 슬러리가 포일 기판에 적용됩니다. 기판이 코팅 롤러와 스크레이퍼 사이를 통과할 때 스크레이퍼와 기판 사이의 간격이 코팅 두께를 결정합니다. 동시에 과잉 슬러리는 긁어내고 환류되어 기판 표면에 균일한 코팅을 형성합니다. 스크레이퍼의 주요 유형은 쉼표 스크레이퍼입니다. 쉼표 스크레이퍼는 코팅 헤드의 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 일반적으로 원형 롤러 표면의 모선을 따라 가공되어 쉼표 모양의 블레이드를 형성합니다. 이 유형의 스크레이퍼는 강도와 경도가 높고 코팅량 및 정확도 제어가 용이하며 고형분 함량 및 고점도 슬러리에 적합합니다.

롤러코팅 전사방식 : 코팅롤러가 회전하여 슬러리를 구동시키고, 콤마스크레이퍼 사이의 틈을 통해 슬러리 전사량을 조절하며, 백롤러와 코팅롤러의 회전을 이용하여 슬러리를 기재에 전사시키는 방식입니다. 공정은 그림 2에 나와 있습니다. 롤러 코팅 전사 코팅은 두 가지 기본 공정을 포함합니다. (1) 코팅 롤러의 회전으로 슬러리가 측정 롤러 사이의 틈새를 통과하여 특정 두께의 슬러리 층을 형성합니다. (2) 코팅 롤러와 백 롤러를 반대 방향으로 회전시켜 일정 두께의 슬러리 층을 포일에 전사하여 코팅을 형성합니다.

좁은 슬릿 압출 코팅 : 정밀 습식 코팅 기술로 그림 3과 같이 작동 원리는 코팅액이 일정한 압력과 유속 하에서 코팅 몰드의 틈새를 따라 압출 및 분사되어 기판에 전달되는 것입니다. . 다른 코팅 방법에 비해 코팅 속도가 빠르고 정확도가 높으며 습윤 두께가 균일한 등 많은 장점이 있습니다. 코팅시스템이 내장되어 있어 코팅과정에서 오염물질이 유입되는 것을 방지할 수 있습니다. 슬러리 이용률이 높고 슬러리 특성이 안정적입니다. 동시에 여러 겹으로 코팅할 수 있습니다. 그리고 다양한 범위의 슬러리 점도 및 고형분에 적응할 수 있으며 전사 코팅 기술에 비해 적응성이 더 강합니다.

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코팅 결함 및 영향 요인

코팅 결함 감소, 코팅 품질 및 수율 향상, 코팅 공정 중 비용 절감은 코팅 공정에서 연구해야 할 중요한 측면입니다. 코팅 공정에서 발생하는 일반적인 문제로는 두꺼운 머리와 얇은 꼬리, 양쪽 가장자리가 두꺼움, 어두운 점, 거친 표면, 노출된 호일 및 기타 결함이 있습니다. 코팅밸브나 간헐밸브의 개폐시간에 따라 헤드와 테일의 두께를 조절할 수 있다. 가장자리가 두꺼워지는 문제는 슬러리 특성, 코팅 간격, 슬러리 유속 등을 조정하여 개선할 수 있습니다. 포일 안정화, 속도 감소, 공기 각도 조정을 통해 표면 거칠기, 불균일 및 줄무늬를 개선할 수 있습니다. 칼 등

기판 - 슬러리

슬러리의 기본 물리적 특성과 코팅 사이의 관계: 실제 공정에서 슬러리의 점도는 코팅 효과에 일정한 영향을 미칩니다. 전극 원료, 슬러리 비율, 선택한 바인더 종류에 따라 제조되는 슬러리의 점도가 달라집니다. 슬러리의 점도가 너무 높으면 코팅이 연속적이고 안정적으로 수행될 수 없는 경우가 많으며 코팅 효과에도 영향을 미칩니다.

코팅 용액의 균일성, 안정성, 모서리 및 표면 효과는 코팅 품질을 직접적으로 결정하는 코팅 용액의 유변학적 특성에 의해 영향을 받습니다. 안정적인 코팅과 균일한 코팅을 얻기 위한 공정 작업 범위인 코팅 창을 연구하기 위해 이론 분석, 코팅 실험 기술, 유체 역학 유한 요소 기술 및 기타 연구 방법을 사용할 수 있습니다.

기재 - 동박 및 알루미늄박

표면 장력: 구리 알루미늄 호일의 표면 장력은 코팅된 용액의 표면 장력보다 높아야 합니다. 그렇지 않으면 용액이 기판에 평평하게 퍼지기가 어려워 코팅 품질이 저하됩니다. 따라야 할 한 가지 원칙은 코팅할 용액의 표면 장력이 기판의 표면 장력보다 5dynes/cm 낮아야 한다는 것입니다. 이는 단지 대략적인 추정치일 뿐입니다. 용액과 기판의 표면 장력은 기판의 공식이나 표면 처리를 조정하여 조정할 수 있습니다. 둘 사이의 표면 장력 측정도 품질 관리 시험 항목으로 고려해야 합니다.

균일한 두께: 스크레이퍼 코팅과 유사한 공정에서 기판 가로 표면의 두께가 고르지 않으면 코팅 두께가 고르지 않을 수 있습니다. 코팅 공정에서 코팅 두께는 스크레이퍼와 기판 사이의 간격에 의해 제어되기 때문입니다. 수평으로 기판의 두께가 얇을 경우 해당 영역을 통과하는 용액의 양이 많아지고 코팅 두께도 두꺼워지며 그 반대도 마찬가지입니다. 기판의 두께 변동을 두께 게이지에서 볼 수 있으면 최종 막 두께 변동도 동일한 편차를 나타냅니다. 또한 측면 두께 편차로 인해 와인딩 불량이 발생할 수도 있습니다. 따라서 이러한 불량을 방지하기 위해서는 원재료의 두께를 조절하는 것이 중요합니다.

정전기 : 코팅 라인에서 롤러를 풀고 통과할 때 기판 표면에 많은 양의 정전기가 발생합니다. 발생된 정전기는 공기와 롤러의 재층을 쉽게 흡착하여 코팅 불량을 초래할 수 있습니다. 방전 과정에서 정전기로 인해 코팅 표면에 정전기 외관 불량이 발생할 수도 있으며, 더 심각하게는 화재가 발생할 수도 있습니다. 겨울철 습도가 낮으면 코팅라인의 정전기 문제가 더욱 두드러지게 됩니다. 이러한 불량을 줄이는 가장 효과적인 방법은 주변 습도를 최대한 높게 유지하고, 코팅 와이어를 접지하고, 정전기 방지 장치를 설치하는 것입니다.

청결도 : 기판 표면의 불순물로 인해 돌기, 먼지 등의 물리적인 결함이 발생할 수 있습니다. 따라서 기판 생산 과정에서는 원재료의 청결도를 잘 관리할 필요가 있습니다. 온라인 멤브레인 청소 롤러는 기판 불순물을 제거하는 데 비교적 효과적인 방법입니다. 막에 있는 불순물을 모두 제거할 수는 없지만 원료의 품질을 효과적으로 향상시키고 손실을 줄일 수 있습니다.

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리튬 배터리 극의 결함 지도

【1】 리튬이온전지 음극 코팅의 기포 불량

왼쪽 이미지는 기포가 있는 음극판이고 오른쪽 이미지는 주사전자현미경의 200배 배율입니다. 혼합, 운송, 코팅 과정에서 먼지나 긴 플록, 기타 이물질이 코팅 용액에 섞이거나 젖은 코팅 표면에 떨어지게 됩니다. 이 시점에서 코팅의 표면 장력은 외부 힘의 영향을 받아 분자간 힘에 변화를 일으키고 결과적으로 슬러리가 부드럽게 전달됩니다. 건조 후에는 중앙이 얇은 원형 자국이 형성됩니다.

【2】 핀홀

하나는 기포의 발생(교반과정, 이송과정, 코팅과정)이고, 기포로 인한 핀홀 결함은 비교적 이해하기 쉽습니다. 젖은 필름의 기포는 내부 층에서 필름 표면으로 이동하고 표면이 파열되어 핀홀 결함을 형성합니다. 기포는 주로 혼합, 액체 이송, 코팅 공정 중 유동성 불량, 레벨링 불량, 기포 방출 불량으로 인해 발생합니다.

【3】 흠집

가능한 원인: 좁은 틈새나 코팅 틈새에 이물질이나 큰 입자가 끼어, 기판 품질이 좋지 않아 코팅 롤러와 백 롤러 사이의 코팅 틈새를 이물질이 막고, 금형 립이 손상됩니다.

【4】 두꺼운 가장자리

두꺼운 모서리가 형성되는 이유는 슬러리의 표면 장력으로 인해 슬러리가 전극의 코팅되지 않은 모서리쪽으로 이동하여 건조 후 두꺼운 모서리가 형성되기 때문입니다.

【5】 음극 표면의 입자 응집

공식: 구형 흑연+SUPER C65+CMC+증류수

두 가지 다른 교반 공정을 사용하는 편광판의 거시적 형태: 매끄러운 표면(왼쪽)과 표면에 다수의 작은 입자 존재(오른쪽)

공식: 구형 흑연+SUPER C65+CMC/SBR+증류수

전극 표면의 작은 입자의 확대된 형태(a 및 b): 완전히 분산되지 않은 전도성 물질의 집합체입니다.

매끄러운 표면 편광판의 확대된 형태: 전도성 에이전트가 완전히 분산되고 균일하게 분포됩니다.

【6】 양극 표면의 입자 뭉침

공식: NCA+아세틸렌 블랙+PVDF+NMP

혼합 과정에서 환경 습도가 너무 높아 슬러리가 젤리처럼 변하고, 전도성 물질이 완전히 분산되지 않으며, 롤링 후 편광판 표면에 많은 수의 입자가 발생합니다.

[7] 수계 극판의 균열

조성: NMC532/카본블랙/바인더=90/5/5wt%, 물/이소프로판올(IPA) 용매

코팅 밀도가 각각 (a) 15 mg/cm2, (b) 17.5 mg/cm2, (c) 20 mg/cm2 및 (d) 25 mg/cm2인 편광판 표면 균열의 광학 사진. 두꺼운 편광판은 균열이 발생하기 쉽습니다.

【8】 편광판 표면의 수축

공식: 편상 흑연+SP+CMC/SBR+증류수

호일 표면에 오염 물질 입자가 존재하면 입자 표면의 습윤 필름의 표면 장력이 낮아집니다. 액체 필름은 방출되어 입자 주변으로 이동하여 수축점 결함을 형성합니다.

【9】 전극 표면의 긁힘

공식: NMC532+SP+PVdF+NMP

좁은 솔기 압출 코팅으로 절단 모서리에 큰 입자가 있어 전극 표면에 호일 누출 및 긁힘이 발생합니다.

【10】세로줄무늬 코팅

공식: NCA+SP+PVdF+NMP

트랜스퍼 코팅 후기에서는 슬러리의 수분흡수점도가 증가하여 코팅시 코팅창의 상한치에 가까워지므로 슬러리의 레벨링이 불량하고 세로줄무늬가 형성되는 현상이 발생한다.

【11】 극성필름이 완전히 건조되지 않은 부분의 롤프레스 크랙 발생

공식: 편상 흑연+SP+CMC/SBR+증류수

코팅하는 동안 편광판의 중간 부분은 완전히 건조되지 않고, 롤링하는 동안 코팅이 이동하여 띠 모양의 균열이 형성됩니다.

【12】 폴라 롤러 압착 시 가장자리 주름

코팅 모서리의 코팅, 롤러 프레싱, 주름 발생에 의해 모서리가 두꺼워지는 현상

【13】 호일에서 분리된 음극 절단 코팅

조성: 천연흑연+아세틸렌블랙+CMC/SBR+증류수, 유효성분비율 96%

폴라 디스크가 절단되면 코팅과 호일이 분리됩니다.

【14】 엣지 커팅 버

양극 디스크 절단 시 불안정한 장력 제어로 인해 2차 절단 시 포일 버가 형성됩니다.

[15] 폴라 슬라이스 커팅 웨이브 엣지

음극 디스크를 절단하는 동안 절단 블레이드의 부적절한 중첩과 압력으로 인해 절개 부위의 웨이브 에지 및 코팅 박리가 형성됩니다.

【16】 기타 일반적인 코팅 결함으로는 공기 침투, 측면 파도, 처짐, Rivulet, 팽창, 물 손상 등이 있습니다.

코팅 준비, 기판 생산, 기판 작업, 코팅 영역, 건조 영역, 절단, 슬리팅, 압연 공정 등 모든 공정 단계에서 결함이 발생할 수 있습니다. 결함을 해결하는 일반적인 논리적 방법은 무엇입니까?

1. 파일럿 생산에서 생산까지의 과정에서 제품 제형, 코팅 및 건조 공정을 최적화하고 비교적 양호하거나 넓은 공정 창을 찾는 것이 필요합니다.

2. 일부 품질 관리 방법과 통계 도구(SPC)를 사용하여 제품 품질을 관리합니다. 안정적인 코팅 두께를 온라인으로 모니터링 및 제어하거나 육안 외관 검사 시스템(Visual System)을 사용하여 코팅 표면의 결함을 확인합니다.

3. 제품 결함이 발생하면 적시에 공정을 조정하여 결함이 반복되지 않도록 하십시오.

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코팅의 균일성

코팅의 균일성이란 코팅 면적 내에서 코팅 두께나 접착량 분포의 일관성을 말합니다. 코팅 두께나 접착제 양의 일관성이 좋을수록 코팅의 균일성이 좋아지며, 그 반대도 마찬가지입니다. 코팅 균일성에 대한 통일된 측정 지표는 없습니다. 이는 해당 영역의 평균 코팅 두께 또는 접착제 양을 기준으로 특정 영역의 각 지점에서 코팅 두께 또는 접착제 양의 편차 또는 백분율 편차로 측정할 수 있습니다. 최대 및 최소 코팅 두께의 차이 또는 특정 영역의 접착제 양. 코팅 두께는 일반적으로 μm로 표시됩니다.

코팅의 균일성은 해당 영역의 전반적인 코팅 상태를 평가하는 데 사용됩니다. 그러나 실제 생산에서는 일반적으로 기판의 수평 및 수직 방향의 균일성에 더 중점을 둡니다. 소위 수평 균일성은 코팅 폭 방향(또는 기계의 수평 방향)의 균일성을 의미합니다. 소위 종방향 균일성은 코팅 길이 방향(또는 기판 이동 방향)의 균일성을 의미합니다.

수평 및 수직 접착제 도포 오류의 크기, 영향 요인 및 제어 방법에는 상당한 차이가 있습니다. 일반적으로 기판(또는 코팅)의 폭이 클수록 측면 균일성을 제어하기가 더 어렵습니다. 온라인 코팅에 대한 수년간의 실제 경험을 바탕으로 기판 폭이 800mm 미만인 경우 일반적으로 측면 균일성이 쉽게 보장됩니다. 기판의 폭이 1300-1800mm 사이인 경우 측면 균일성을 잘 제어할 수 있는 경우가 많지만 특정 어려움이 있으며 상당한 수준의 전문성이 필요합니다. 기판 폭이 2000mm 이상인 경우 측면 균일성을 제어하는 ​​것이 매우 어려우며 이를 잘 처리할 수 있는 제조업체는 소수에 불과합니다. 생산 배치(예: 코팅 길이)가 증가하면 세로 방향 균일성이 가로 방향 균일성보다 더 큰 어려움이나 과제가 될 수 있습니다.