Atvejo tyrimas: 100 Ah maišelio elementų bandomoji linija, skirta universitetų laboratorijoms ir tyrimų institutams

Autorius: PhD. Dany Huangas
„TOB New Energy“ generalinis direktorius ir tyrimų ir plėtros vadovas

PhD Dany Huangas

GM / R&D vadovas · TOB New Energy generalinis direktorius

Nacionalinis vyresnysis inžinierius
Išradėjas · Baterijų gamybos sistemų architektas · Pažangus baterijų technologijos ekspertas

Susisiekite su daktaru Huangu

Esminis atotrūkis tarp akademinių baterijų tyrimų ir pramonės komercializavimo dažnai apibendrinamas vienoje metrikoje: amper{0}}valandos (Ah). Dešimtmečius universitetų laboratorijos naudojo CR2032 monetų elementą (paprastai 0,002 Ah) arba mažus vieno -sluoksnio maišelio elementus (0,1–1 Ah), kad patvirtintų naujas katodines medžiagas, silicio-anglies anodus ir kietojo kūno{8}}elektrolitus. Tačiau kai akademiniai mokslininkai pateikia šiuos monetos elementų duomenis automobilių originalios įrangos gamintojams ar{10}}pirmos pakopos elementų gamintojams, atsakymas beveik visur yra identiškas: „Parodykite mums duomenis didelio formato langelyje“.

100 Ah elektrinės transporto priemonės (EV) klasės maišelio elemento fizika visiškai skiriasi nuo monetų elementų. Šiluminis išsklaidymo, mechaninio įtempio tūrio plėtimosi metu, dujų susidarymo formavimo ciklo metu ir elektronų pasiskirstymo masyviuose srovės kolektoriuose negalima tiksliai modeliuoti miliamperų skalėje. Norėdami įveikti šį „Mirties slėnį“, aukščiausios pakopos-universitetai dabar bendradarbiauja su vieno-baterijos sprendimų tiekėjais, kad sukurtų savo vidutinio{5}}ir{6}}didelio masto bandomąsias linijas.

Šiame atvejo tyrime pateikiamas griežtas inžinerinis planas, kaip suprojektuoti, įsigyti ir įdiegti 100 Ah maišelio elementų bandomąją liniją universiteto infrastruktūroje. Išnagrinėsime svarbiausius pereinamuosius taškus – nuo ​​srutų reologijos mastu iki ekstremalių daugiasluoksnio ultragarsinio suvirinimo - reikalavimų.

Istorinė raida: nuo rankinio liejimo iki automatinio tikslumo

Kad suprastume, kur einame 2026 m., turime suprasti dengimo technologijos trajektoriją. Ankstyvieji baterijų tyrimai rėmėsi „juostų liejimu“ – procesu, pasiskolintu iš keramikos pramonės. „Doctor Blade“ buvo natūrali šio-paprasto, standaus strypo, išlyginančio srutų telkinį, evoliucija. Jis gerai veikė ankstyvosioms LCO (ličio kobalto oksido) baterijoms, kur energijos tankio reikalavimai buvo nedideli.

Tačiau pramonei einant prie didelės-galios ir didelės-pajėgos elementų, išryškėjo „savaime-matuojamų“ sistemų apribojimai. Slot Die dangos – technologijos, patobulintos fotografijos juostų ir aukščiausios-popieriaus pramonės srityse, pristatymas sukėlė revoliuciją baterijų gamybos įmonėje. Tai perkėlė pramonę nuo „pasyvaus“ proceso, kai folija tempė skystį, prie „aktyvaus“ proceso, kai įranga diktuoja skysčio elgesį. AtTOB NAUJA ENERGIJA, mes dokumentavome, kad vien šis poslinkis gali pagerinti ląstelių -į-ląstelių nuoseklumą daugiau nei 40 % bandomosios linijos aplinkoje.

I. Įrenginio infrastruktūra: didelės talpos elementų sąlyga

Prieš užsakydamas vieną baterijų gamybos įrangą, universitetas turi kreiptis į įrenginį. 100 Ah celėje yra didžiulis kiekis labai reaktyvių medžiagų. Infrastruktūra nėra tik būsto reikalavimas; tai aktyvus ląstelės elektrocheminių savybių kintamasis.

1. Ultra-Dry Room Engineering

Brangiausia ir svarbiausia akumuliatoriaus bandomosios linijos infrastruktūra yra „Dry Room“. Monetų kamerų laboratorijoje pakanka argono{1}}pildytos pirštinių dėžutės. Jei naudojate 100 Ah maišelio elementų liniją, apimančią ritininį-į-vyniotinį, automatizuotą krovimą ir skysto elektrolito užpildymą, vaikščiojimas-sausoje patalpoje yra privalomas.

Naudojant standartines ličio{0}}jonų chemines medžiagas (NMC/grafitas), sausoje patalpoje turi būti -40 laipsnių Celsijaus rasos taškas (maždaug 127 ppm vandens). Tačiau jei universitetas ketina tirti kitos kartos kietųjų sulfidinių elektrolitų ar ličio metalo anodus, reikalavimas nukrenta iki –60 laipsnių Celsijaus (mažiau nei 10 ppm). Norint tai pasiekti, reikalingi didžiuliai rotaciniai sausintuvai. ŠVOK inžinerija turi atsižvelgti į paslėptą šilumą, kurią sukuria šildomos vakuuminės džiovinimo krosnys, ir pačių tyrėjų išskiriamą drėgmę (paprastai 100–150 gramų vandens vienam asmeniui per valandą).

2. Grindų apkrova ir vibracijos izoliacija

Universiteto pastatai, ypač senesni mokslo kvartalai, dažnai nėra skirti pramoniniam grindų apkrovimui. Ritinio -to- plyšio dengimo mašina kartu su aukšto-slėgio nepertraukiamo kalandravimo mašina gali sverti kelias tonas ir atlikti didžiules taškines-apkrovas. Be to, kalandravimo mašinos ir planetiniai maišytuvai sukuria žemo -dažnio vibracijas, kurios gali trukdyti gretimų didelės-raiškos elektroninių mikroskopų (TEM/SEM) veikimui. AtTOB NAUJA ENERGIJA, mūsų patalpų planavimo komanda bendradarbiauja su universiteto architektais, kad sukurtų tinkintus vibracijos{0}}izoliacinius padėklus ir apskaičiuotų dinaminį grindų įtempį prieš pristatydami įrangą.

3. NMP tirpiklių regeneravimas ir išmetamųjų dujų valdymas

Dengimo procese naudojamas N-metil-2-pirolidonas (NMP) kaip katodo suspensijos tirpiklis. NMP yra toksiškas ir griežtai reglamentuojamas aplinkos sveikatos ir saugos (EHS) standartų. 100 Ah bandomajai linijai reikia integruotos NMP atkūrimo sistemos, pritvirtintos prie dengimo įrenginio išmetimo. Ši sistema naudoja atšaldyto vandens kondensaciją arba ceolito rotoriaus adsorbciją, kad sugautų NMP garus, kol jie pasiekia universiteto centrinį išmetimą, užtikrinant vietinių aplinkosaugos įstatymų laikymąsi.

II. Priekyje-Pabaigos apdorojimas: srutų ir elektrodo mastelio keitimas

Norint pagaminti vieną 100 Ah maišelio elementą, jums reikia maždaug 3–4 kvadratinių metrų dvipusio dengto elektrodo. Standartinei 10 ląstelių partijai reikia 40 kvadratinių metrų. Nebegalima maišyti stiklinėje arba padengti rankiniu peiliuku.

1. Didelis{0}}šlyties maišymasprie 50 litrų svarstyklių

Perėjimas nuo 1 litro laboratorinio maišytuvo prie 50 litrų dvigubo planetinio vakuuminio maišytuvo iš esmės keičia skysčio dinamiką. Didelėse partijose temperatūros kontrolė tampa pagrindiniu iššūkiu. Didelės šlyties jėgos sukuria intensyvią vietinę šilumą, dėl kurios gali kristalizuotis PVDF rišiklis arba per anksti išgaruoti tirpiklis.

Mūsų tiekiamuose 50 l maišytuvuose, skirtuose universitetų pilotinėms linijoms, įrengti dviejų sluoksnių vandens aušinimo{1} sluoksniai ir daugiataškiai PT100 temperatūros jutikliai. Be to, vakuuminis degazavimas paskutiniame maišymo etape yra labai svarbus. Bet kokie mikro-burbuliukai, įstrigę 50 litrų partijoje, dengimo proceso metu pavirs į skylutes ir sukels katastrofišką ličio dendrito augimą 100 Ah talpos ląstelėje.

2. DengimasirKalandravimasuž energijos tankį

Kaip buvo aptarta mūsų ankstesnėje plyšių štampų technologijos analizėje, iš anksto{0}}išmatuotas padengimas šiuo mastu nėra{1}}derinamas. 100 Ah elementų ploto masės apkrova padidinama iki ribų (dažnai viršija 20 miligramų kvadratiniam centimetrui, kai naudojamos didelės energijos).

Padengtas ir išdžiovintas elektrodas turi būti sutankintas naudojant hidraulinį ritininį presą. 300 mm pločio elektrodo kalandravimui reikia šimtų tonų tiesinio slėgio. Jei slėgis nėra visiškai vienodas ant ritinėlių, folija susiraukšlės arba „sulinks“. Mes įrengiame savo bandomąsias kalandravimo mašinas su "Roll Bending" technologija ir indukciniu šildymu, kad suminkštintume rišiklį, leidžiantį pasiekti didelį sutankinimo tankį (pvz., 3,6 g/cm3 NMC katodams), nesmulkinant aktyviosios medžiagos dalelių.

III. Vidurinis-Pabaigos apdorojimas: maišelio architektūra

Maišelio elemento surinkimas yra ypatingo mechaninio tikslumo pratimas. 100Ah elementas nėra vienas elektrocheminis vienetas; tai lygiagrečiai sujungti iki 80 arba 100 atskirų katodo, separatoriaus ir anodo sluoksnių.

1. Z-KrovimaspriešApvija

Nors cilindriniai elementai apvija, didelio{0}}formato maišelių ląstelės labai priklauso nuo Z-stacking. Z-krūvimo mašinoje ištisinė separatoriaus juostelė sulankstoma pirmyn ir atgal "Z" raštu, o į raukšles įkišami atskiri nupjauto katodo ir anodo lakštai.

Inžinerinė tolerancija čia yra negailestinga. Anodas turi būti šiek tiek didesnis už katodą ("Iškyša"), kad greitojo įkrovimo metu nepadengtų ličio kraštų. Jei sukrovimo mechanizmas vieno katodo lakštą iškreipia 0,5 milimetro, kad jis tęstųsi už anodo, visas 100 Ah elementas kelia gaisro pavojų. Mūsų pažangiosiose bandomosiose krovimo mašinose naudojamos kelios CCD kameros matymo sistemos, kad būtų galima atlikti uždarojo-kilpos išlygiavimo korekciją, užtikrinant tobulą kiekvieno sluoksnio iškyšos geometriją.

2. Daugiasluoksnio-sluoksnio fizikaUltragarsinis suvirinimas

Kai elementas yra sukrautas, visi 80 aliuminio folijos sluoksnių (nuo katodų) turi būti suvirinti prie aliuminio skirtuko, o visi 80 vario folijos sluoksnių (iš anodų) turi būti suvirinti prie nikelio arba vario skirtuko.

To negalima padaryti suvirinant lazeriu, nes plonos folijos tiesiog išgaruotų. Vietoje to naudojame ultragarso suvirinimo įrangą. Šiame procese naudojami aukšto-dažnio akustiniai virpesiai (paprastai nuo 20 kHz iki 40 kHz), veikiami esant slėgiui, kad būtų sukurta kietojo kūno suvirinimo siūlė.

Norint suvirinti 80 sluoksnių 100 Ah elementui, reikia didžiulės galios -dažnai nuo 3000 iki 4500 vatų. Iššūkis yra "suvirinimo įsiskverbimas". Jei energija per maža, apatiniai sluoksniai nesusijungs (sukelia didelį vidinį pasipriešinimą). Jei energija yra per didelė, sonotrodas (vibruojantis įrankis) perplėš viršutinius sluoksnius. AtTOB NAUJA ENERGIJA, teikiame pritaikytus sonotrodo ragų dizainus ir dinamines slėgio valdymo sistemas, specialiai sukurtas dideliam tab{0}}ir -folijos santykiui, randamam EV-klasės elementuose.

3. Maišelio formavimas ir gilus piešimas

Maišelio elemento korpusas pagamintas iš aliuminio laminuotos plėvelės (ALF)-, kompozito iš nailono, aliuminio folijos ir polipropileno. Norint išlaikyti didžiulį 100 Ah krūvą, gilus „puodelis“ turi būti šaltai -formuojamas į ALF naudojant maišelių formavimo mašiną.

Didelės{0}}talpos elementų atveju šio puodelio gylis gali viršyti 10 milimetrų. Gilaus tempimo metu ALF patiria didelį tempimo įtempį. Jei perforatorius ir štampas nėra idealiai poliruoti arba jei suspaudimo slėgis yra netinkamas, aliuminio sluoksnis plėvelėje mikro{4}}lūžta. Šie nematomi lūžiai leis drėgmei patekti į ląstelę per visą jos gyvavimo laiką ir sukelti katastrofišką patinimą. Mūsų bandomosiose-mastelių formavimo mašinose naudojami servo-perforatoriai su programuojamomis greičio kreivėmis, kad švelniai ištemptų plėvelę nepažeidžiant jos takumo ribos.

IV. Atgal-Pabaigti apdorojimą: aktyvinimo chemija

Kai kaminas užsandarinamas trijose maišelio pusėse, procesas pereina nuo mechaninės inžinerijos prie chemijos inžinerijos.

1. Vakuuminis elektrolitų užpildymasir Drėkinimo dinamika

Elektrolito įpurškimas į CR2032 monetų elementą trunka kelias sekundes. 100–150 gramų elektrolito įšvirkštimas į sandariai suspaustą 100 Ah talpos maišelio elementų krūvą yra didžiulis hidrodinaminis iššūkis. Suspaustų elektrodų poringumas ir separatoriaus nanoporos sukuria didžiulį kapiliarų pasipriešinimą.

Jei tiesiog įpilsite skysčio, jis susikaups viršuje, o ląstelės centras bus visiškai sausas. Kai elementas įkraunamas, šios sausos dėmės taps negyvomis zonomis, priversdamos drėgnas zonas veikti dvigubai didesniu C-greičiu, o tai nedelsiant sunaikins elementą.

Akumuliatorių bandomosiose linijose diegiame vakuumines elektrolitų pildymo sistemas. Neuždarytas maišelis įdedamas į kamerą ir įtraukiamas gilus vakuumas, pašalinantis visą orą iš elektrodo porų. Tada įpurškiamas elektrolitas. Kai atmosferos slėgis vėl įvedamas, jis fiziškai priverčia skystį giliai į kamino centrą. 100Ah elementams šis vakuumo{5}}slėgio ciklas turi būti kartojamas kelis kartus, o po to turi būti taikomas aukštoje-temperatūroje senėjimo poilsio laikotarpis, kad būtų užtikrintas visiškas drėkinimo vienodumas.

2. Formavimas, dujų generavimas ir antrinis sandarinimas

Paskutinis gamybos etapas yra „Formavimas“-pirmasis kruopštus akumuliatoriaus įkrovimas, kad ant anodo būtų sukurtas kietojo elektrolito tarpfazės (SEI) sluoksnis.

SEI formuojant skystoje elektrolitų sistemoje susidaro didelis kiekis dujų (pirmiausia etileno, vandenilio ir anglies monoksido). 100 Ah kameroje šis dujų kiekis yra didžiulis. Štai kodėl maišelių ląstelėse yra „dujų maišelis“-, papildomas neužsandarintas ALF maišelio ilgis, kuriame gali kauptis dujos.

Užbaigus formavimą mūsų didelio{0}}tikslumo baterijų bandymo kanaluose, elementas perkeliamas į vakuuminį galutinį sandarinimo įrenginį. Ši mašina perveria dujų maišelį vakuuminėje aplinkoje, ištraukia visas susikaupusias dujas ir uždeda galutinį terminį sandariklį tiesiai virš ląstelės korpuso. Tada perteklinis dujų maišas nupjaunamas ir išmetamas. Šiam procesui reikalingas ypatingas tikslumas, siekiant užtikrinti, kad kartu su dujomis nebūtų išsiurbtas elektrolitas, o tai pakeistų kruopščiai apskaičiuotą elemento skysčio{4}} ir -talpos santykį.

V. Kokybės kontrolė ir sauga universiteto aplinkoje

Pramoninė Gigafactory turi specialius saugos bunkerius ląstelių bandymams. Universiteto laboratorija dažnai yra pastate, kuriame gausu studentų ir kitų tyrimų skyrių. Todėl 100Ah linijos kokybės kontrolės (QC) ir saugos protokolai turi būti nepriekaištingi.

1. Neardomasis bandymas

Prieš įkraunant 100 Ah elementą, jis turi būti patikrintas. Integruojame aukštos-įtampos Hi-Pot bandymo mašinas, kad aptiktume mikro-trumpas prieš užpildydami elektrolitą. Dar svarbiau yra tai, kad rekomenduojame rentgeno spindulių tikrinimo sistemas, kad patikrintų vidinį Z-dėklo išlygiavimą. Jei per rentgeno spindulius aptinkama anodo išsikišimo anomalija, elementas nuimamas į metalo laužą, kol jis tampa terminio pabėgimo rizika.

2. Šiluminio valdymo ir EHS protokolai

Atliekant 100 Ah talpos elemento ciklo{0}}gyvenimo testą, terminis bėgimas išskiria neįtikėtinai daug energijos, toksiškų vandenilio fluorido (HF) dujų ir ugnies. Universiteto pilotinėms linijoms skirta baterijų bandymo įranga turi būti patalpinta sprogimui -atspariose aplinkos kamerose, kuriose įrengtos aktyvios gaisro gesinimo sistemos ir speciali greitoji-ištraukiamoji ventiliacija.

VI. Ekonominis planas: 100 Ah bandomosios linijos kūrimas

Siekdami suteikti universitetų vyriausiems tyrėjams (PI) ir skyrių vadovams tikrovišką sistemą, skirtą dotacijų paraiškoms, pateikiame konceptualų standartinės 100 Ah NMC/Graphite bandomosios linijos parametrų išdėstymą, kurį sukūrėTOB NAUJA ENERGIJA:

VII. Išvada: naujos-kartos inovacijų centras

Universitete pastatyti 100 Ah talpos kišeninių elementų bandomąją liniją – didžiulis darbas. Ji paverčia chemijos skyrių tikru pažangiu gamybos centru. Tai leidžia tyrėjams įrodyti, kad jų naujos medžiagos gali atlaikyti fizinį kalandravimo suspaudimą, šiluminį įtempį dėl didelio-šlyties maišymo ir sudėtingą vakuuminio drėkinimo skysčio dinamiką.

Kai universitetas gali pateikti ciklo{0}}eksploatavimo duomenis, sugeneruotus iš tobulos, viduje pagamintos 100 Ah talpos kišeninio elemento, jie nebėra tik publikacijų,-jie diktuoja automobilių tiekimo grandinės ateitį.

AtTOB NAUJA ENERGIJA, suprantame, kad mokslininkai nebūtinai yra mechanikos inžinieriai. Štai kodėl mūsų požiūris į universitetų akumuliatorių laboratorijas yra holistinis. Prie pakrovimo doko įrangos padėklų nenumetame; projektuojame įrenginį, integruojame mašinas, mokome doktorantus-pramoninio veikimo protokolus ir nuolat tiekiame medžiagą, reikalingą bandomosios linijos veikimui. Mes statome tiltą per Mirties slėnį, leisdami jūsų naujovėms pasiekti komercinį pasaulį.

Apie TOB NEW ENERGY

TOB NAUJA ENERGIJAyra visame pasaulyje pripažintas vieno{0}}stop sprendimų tiekėjas akumuliatorių pramonei, siekiantis paspartinti pažangių energijos kaupimo technologijų komercializavimą. Mūsų patirtis apima visą akumuliatoriaus gyvavimo ciklą, teikiant visapusiškus akumuliatorių laboratorinių tyrimų sprendimus, bandomąsias-gamybos linijas ir visiškai automatizuotas masines gamybos patalpas. Aptarnaujame visas dominuojančias ir atsirandančias chemines medžiagas, įskaitant ličio-jonų, kietojo-kūno, natrio-jonų ir ličio-sieros sistemas.

Derindami pažangiausią{0}}pritaikytą akumuliatorių įrangą, griežtai patikrintas akumuliatorių medžiagas ir neprilygstamas technines konsultacijas,TOB NAUJA ENERGIJAįgalina universitetus, tyrimų institutus ir pasaulinius elementų gamintojus sklandžiai pereiti nuo konceptualios elektrochemijos prie pirmaujančių produktų{0}}. Esame jūsų atsidavęs inžinerinis partneris, siekiantis geriausio akumuliatoriaus.