Pirštinių dėžės baterijų tyrimams ir plėtrai bei gamyboje

Autorius: Dany Huang, Ph.D.

„TOB New Energy“ generalinis direktorius ir tyrimų ir plėtros vadovas

Susisiekite su Dr. Huang „LinkedIn“.

Santrauka ir pagrindiniai dalykai

Pirštinių dėžutė yra fizinė riba tarp reaktyviosios ličio sistemos ir ją naikinančios atmosferos. Akumuliatoriaus{1}}laipsnio sistemos sulaiko vandens garų ir deguonies mažiau nei 0,1ppm per nuolatinę dujų recirkuliaciją per valymo kolonėles. Nuvykti-ir pasilikti ten-priklauso nuo pirštinių medžiagos prasiskverbimo, perdavimo disciplinos, nuotėkio vientisumo ir regeneravimo logistikos.

• Akumuliatoriaus -klasės atmosferos specifikacija: H₂O < 0,1 ppm ir O₂ < 0,1 ppm, nuolat palaikoma recirkuliuojant kameros dujas per katalizatoriaus ir molekulinio sieto kolonėles.
• Argonas yra standartinės ličio metalo nešančiosios dujos; azotas reaguoja su ličiu, sudarydamas Li3N, sunaudodamas aktyvią medžiagą.
• Butilo guminės pirštinės praleidžia maždaug 100 kartų mažiau vandens garų nei neoprenas, be to, jos geriau atsparios elektrolitų tirpikliams -tai lemiamas veiksnys ličio laboratorijose.
• Užteršimas patenka nuspėjamais keliais: pirštinių prasiskverbimas, prieškambario judėjimas, įrankių patekimas ir mikronutekėjimai. Kiekvienas iš jų turi išmatuojamą kontrolės metodą.

Viena milijono dalis vandens. Tai yra riba, skirianti švarų ličio eksperimentą nuo užnuodyto. LiPF₆ hidrolizė sukuria HF. HF išgraviruoja elektrodų paviršius, korozuoja nerūdijančio plieno korpusus ir perkelia kiekvieną bandymo stendo talpos skaičių. Pirštinių dėžutė, kurioje drėgmė yra 0,1 ppm, nėra prabangos prekė. Tai yra skirtumas tarp atkuriamų duomenų ir atmestų paleidimų aplanko.

Aparatūra atrodo paprasta: sandari dėžė, pirštinės, dujų kilpa. Inžinerija yra ne kas kita. Kiekvienas komponentas-nuo pirštinių medžiagos iki valymo kolonėlių regeneravimo grafiko-dalyvauja kovojant su keliomis vandens ir deguonies molekulėmis.

Ką reiškia „akumuliatoriaus{0} laipsnis“: vandens ir O₂ išlaikymas mažesnis nei 0,1 ppm

Standartinės inertinės atmosferos darbo dėžės, naudojamos bendrajai chemijai, paprastai palaiko 1–5 ppm drėgmės ir deguonies. Akumuliatoriaus-laipsnio sistemos stumia dydžiu mažiau: kiekviena po 0,1 ppm, o valdymo kilpa skaito nuolat.

Tai valdo du analitiniai instrumentai: drėgmės analizatorius (aliuminio oksido talpiniai jutikliai arba derinamo diodo lazerio absorbcija) ir deguonies analizatorius (cirkonio oksido arba elektrocheminės ląstelės). Svarbi analizatoriaus vieta. Ant grįžtamosios dujų linijos sumontuoti jutikliai matuoja, kas iš tikrųjų teka iš kameros, o ne tik tai, kas palieka valymo kolonėlę.

Nešančių dujų pasirinkimas nustatomas pagal chemiją. Argonas yra numatytasis ličio metalo apdorojimas. Azotas, nors ir pigesnis ir plačiai naudojamas pirštinių dėžėse, reaguoja su ličiu, sudarydamas ličio nitridą (Li₃N). Reakcijai sunaudojamas aktyvusis ličio kiekis ir pasikeičia tiriamų anodų paviršiaus chemija. Bet kokiam elementų darbui, susijusiam su metaliniu ličiu, nurodomas argonas.

Kur iš tikrųjų patenka tarša

Užsandarinta pirštinių dėžė vis dar keičia atmosferą su išoriniu pasauliu keturiais būdais. Kiekvienas iš jų turi skirtingą mastą ir atskirą atsakomąją priemonę.

Pirštinių pralaidumas.Pirštinių medžiagos yra didžiausias pastovios taršos šaltinis. Vandens garai ištirpsta ir pasklinda per polimerinę plėvelę. Neoprenas, turintis gana atvirą polimerų tinklą, praleidžia vandens garus maždaug 100 kartų greičiau nei butilo kaučiukas. Todėl ličio jonų ir ličio metalo darbuose dominuoja butilo pirštinės. Kompromisas yra apčiuopiamas: butilas yra standesnis ir mažiau judrus, todėl kai kurios laboratorijos naudoja butilą pagrindinei darbo vietai ir rezervuoja plonesnes medžiagas mažos rizikos operacijoms. Tirpiklio garai pagreitina problemą. Elektrolitų garai-DMC, EMC ir ypač NMP-brinkina pirštinių polimerus ir padidina prasiskverbimo greitį. Pirštinių dėžutei, skirtai padengti arba elektrolitų užpildymo linijai, reikia pirštinių keitimo tvarkaraščio, matuojamo mėnesiais, o ne metais.

Prieškambario važiavimas dviračiu.Kiekvienas perkėlimas per prieškambarį patenka į atmosferos dujas. Standartinis trijų vakuumo/azoto išvalymo ciklas sumažina perkėlimą iki priimtino lygio, bet tik tuo atveju, jei ciklas baigiasi. Operatoriai, kurie sutrumpina ciklą, importuoja drėgmės šuolius, kuriuos nušveisti užtrunka valandų. Slėgio išlyginimo vožtuvai ir blokuojamos durys yra būtent tam, kad būtų išvengta viso slėgio atmosferos išmetimo į pagrindinę kamerą.

Įrankių ir medžiagų įvedimas.Didelės dalys, mėginiai ar surinktos ląstelės turi adsorbuotą paviršinį vandenį. Prieškambaris pašalina tūrinę atmosferą, tačiau higroskopinės medžiagos-separatoriai, polimerinės plėvelės, išdžiūvę elektrodų lakštai- lėtai išleidžia sugertą drėgmę. Pailgintas vakuumo laikas, šildomos priekinės kameros arba dviejų kamerų krovinio užraktas yra standartinis atsakymas tokioms apkrovoms.

Mikro nutekėjimai.Flanšų sandarikliai, įvadai ir pirštinių žiedai ilgainiui sukuria mikro nuotėkius. Baterijos{1}}klasės dėžutės nuotėkio rodiklis paprastai yra mažesnis nei 0,001 tūrio % per valandą, atliekant slėgio skilimo bandymą. Kasmetinis nuotėkio bandymas naudojant helio masės spektrometro nuotėkio detektorių užfiksuoja pablogėjimą prieš tai, kai jis pasirodo kaip analizatoriaus dreifas.

Taršos kontrolės nuorodų lentelė

A prieš B: standartinė recirkuliacinė dėžė prieš individualią integruotą sistemą

Du viešųjų pirkimų būdai lemia labai skirtingą veiklos realybę.

Kelias A: standartinė recirkuliacinė pirštinių dėžė.Fiksuota kamera su viena valymo kolonėlių pora, rankiniu regeneravimu ir prievadų rinkiniu. Jis atitinka švarios MTEP laboratorijos, kuri rankiniu būdu perduoda mėginius ir naudoja nedidelius kiekius, specifikacijas. Regeneruojant-koloneles kaitinant prapūtimo dujomis, kad būtų pašalintas sugautas deguonis ir vanduo,-reikia išjungti valymo kontūrą. Regeneravimo lango metu dėžė veikia be aktyvaus šveitimo, o atmosferos valdymas pablogėja, nebent darbo krūvis pristabdytų. Tai priimtina atliekant pertrūkius tyrimus ir tai yra mažiausio kapitalo kelias.

B kelias: pritaikyta integruota sistema.Kameroje, sukurta atsižvelgiant į tikrąjį procesą: dvigubos valymo kolonėlės, todėl viena atsinaujina, o kita šveičia; įmontuota proceso įranga-svarstyklės, potenciostatai, dengimo įtaisai, mažos surinkimo stotelės-, sumontuotos ant vibraciją izoliuojančių stendų; įvadai, skirti kabeliams, dujų linijoms ir įrankiams, kurių reikia procesui; ir išplėstos pirštinių angos, išdėstytos taip, kad būtų ergonomiška prieiga prie kiekvieno sumontuoto įrankio. Nuolatinis regeneravimas palaiko atmosferą 24 valandas per parą, 7 dienas per savaitę, o tai svarbu, kai formavimo stovas arba automatinis dozatorius veikia per naktį.

Skirtumas nėra prabanga. Tai veikimo laikas ir duomenų tęstinumas. Sistema, sulaikanti 0,1 ppm per 16 valandų be priežiūros, sukuria duomenis, kurių per naktį nepasiekia dėžutė, kuri per naktį nukrypsta iki 5 ppm. Bandomosios gamybos ir didelės vertės tyrimų programoms tinkintas kelias atsiperka galiojančiais ciklais per mėnesį-todėlakumuliatoriaus{0}}pirštinių dėžutės gamintojasportfelis yra sukurtas remiantis konkrečiam procesui skirtomis konfigūracijomis, o ne vieno dydžio kamera.

Palyginimas: standartinė ir individuali integruota pirštinių dėžė

Valymo kilpa: katalizatoriai, molekuliniai sietai ir regeneravimas

Valymo traukinys apibrėžia pasiekiamą atmosferos kokybę. Darbą atlieka dvi žiniasklaidos priemonės.

Deguonies pašalinimasremiasi vario pagrindu pagamintu katalizatoriumi. Kambario temperatūroje metalinis varis oksiduojasi į vario oksidą, pašalindamas deguonį iš cirkuliuojančių dujų. Katalizatoriaus talpa yra baigtinė. Regeneruojant oksidas redukuojamas į metalinį varį, kaitinant kolonėlę iki maždaug 300 laipsnių atskiestose vandenilį sudarančiose dujose (paprastai 5 % H2 argone arba azote), tada prapučiant grynu argonu, kad pašalintų likutinį vandenilį.

Vandens šalinimasnaudoja molekulinius sietus,{0}}paprastai 13X arba 4A tipo ceolitus,{3}}kurie fiziškai adsorbuoja vandens molekules į jų porų struktūrą. Regeneracija pašalina vandenį kaitinant sietelį iki 350–450 laipsnių vakuume arba sauso valymo srautu.

Regeneracija yra operatyvinis darbas, kuris skiria drausmingas patalpas nuo apleistų. Kolonėlės, kurios regeneruojamos per vėlai, netinkamoje temperatūroje arba su nešvariomis regeneravimo dujomis, niekada negrįžta į pilną pajėgumą. Analizatorius yra teisėjas: jei H₂O arba O₂ rodmenys pakyla link 0,5 ppm, nepaisant normalaus veikimo, reikia regeneruoti. Tinkamos terpės ir regeneravimo įrangos suderinimas su dėžute yra būtent toks sprendimas, kurį geriausiai išsprendžia pirštinių dėžutės drėgmės ir deguonies valymo sistemos tiekėjas, galintis dokumentuoti kolonėlės talpą ir regeneracijos ciklus pagal konkrečią dujų apkrovą.

Dvi papildomos detalės atskiria akumuliatoriaus{0}}klasių sistemą nuo bendros:

• Dvigubas regeneracijos dujų kelias, leidžiantis pakeisti kolonėlę nepažeidžiant kameros sandariklio.
• Vandeniu aušinama regeneravimo stotis, nes 400 laipsnių paviršiai darbo erdvėje kelia nudegimo ir užsiliepsnojimo pavojų argono pripildytoje aplinkoje.

Pritaikymas, kuris svarbus MTTP ir bandomajai gamybai

Pirštinių dėžė retai perkama kaip atskiras objektas. Jis perkamas darbo eigai įrengti. Didžiausios vertės tinkinimai vyksta pagal procesą, o ne pagal katalogą.

• Į procesą integruotos stotys.Tikslios svarstyklės kameros viduje elektrodams sverti; potenciostato įvadas su tinkamai ekranuotais laidais matavimams in situ; prie darbastalio pritvirtintas nedidelis dangos ar krovimo įtaisas. Kiekviena integracija pašalina pernešimą, kuris kitu atveju būtų užterštas ir sutrikdytų mėginį.
• Šildomi ir vakuuminiai prieškambariai.Skirta elektrodų plėvelėms, polimerų separatoriams ir elektrolitui jautriems komponentams, kurie perduodami išskiria dujas.
• Vibracijos izoliacija.Reikalingas, kai kameroje yra svarstyklės, mikroskopai arba suvirinimo įrenginiai; optiniai stalai ir oru slopinami suolai yra nurodyti kaip kameros rėmo dalis.
• Padidintos pirštinės angos ir kameros gylis.Atliekant tolimojo pasiekiamumo operacijas-didelio formato elementų surinkimas, krovimas arba krovimas nuo ritinio iki ritinio{1}}reikia gilesnių kamerų ir pakeistų prievadų. Ergonomika yra produktyvumo veiksnys, o ne patogumas.
• Dujų ir vakuumo padavimo angos.Keli iš anksto išdėstyti prievadai argono linijoms, azoto prapūtimui ir vakuuminio siurblio jungtims, todėl operatorius vėliau negręžia skylių sandarioje kameroje.

„Iki raktų“ tiekėjas sukuria šias integracijas gamykloje, išbando surinktą sistemą, kad nustatytų nuotėkio greitį ir atmosferos laikymo laiką, ir pristato patvirtintą įrenginį, o ne dalių rinkinį. Tai yra skirtumas tarp dėžutės pirkimo ir pritaikytos integruotos pirštinių dėžės sistemos pirkimo bandomajai baterijų gamybai, kuri yra paruošta vykdyti numatytą procesą pirmąją dieną.

DUK: Baterijos{0}}pirštinių dėžės veikimas

Kokį drėgmės ir deguonies lygį turėtų išlaikyti akumuliatoriaus{0}}pirštinių dėžė?
Mažiau 0,1 ppm ir H2O, ir O2, nuolat matuojant grįžtamojoje dujų linijoje. Kai kurios gamybos programos nurodo 0,05 ppm didelio nikelio katodo apdorojimui.

Kodėl ličio baterijų darbui pirmenybė teikiama argonui, o ne azotui?
Azotas reaguoja su ličio metalu, sudarydamas ličio nitridą (Li₃N), sunaudodamas aktyvųjį litį ir pakeisdamas anodo paviršiaus chemiją. Argonas yra inertiškas ir nereaguoja su ličiu, todėl tai yra nurodytos nešančiosios dujos ličio metalo ir didelio reaktyvumo sistemoms.

Kaip dažnai valymo kolonėles reikia regeneruoti?
Kas 3–6 mėnesius, jei yra daug naudota dėžutė, arba kai analizatoriaus rodmenys pakyla iki 0,5 ppm, nepaisant normalaus veikimo. Sistemos su dviem kolonėlėmis nepertraukiamai regeneruoja vieną pusę, o kita šveičia, pašalindamos prastovos laiką.

Kaip dažnai reikia keisti butilo pirštines?
Paprastai kas 6–12 mėnesių, anksčiau aplinkoje, kurioje yra sunkūs elektrolito tirpiklio garai. Tirpiklio poveikis išpučia polimerą ir padidina vandens pralaidumą. Pirštinių pralaidumo bandymas ir vizualinis patikrinimas yra keitimo grafiko pagrindas.

Ar galima pagal užsakymą pastatyti pirštinių dėžutę aplink esamą laboratorinę įrangą?
Taip. Gamintojai apdirba kameras, pirštinių angas ir įvadus aplink sumontuotus svarstykles, potenciostatus, dangos tvirtinimo elementus ir bandymų stendus, tada prieš pristatydami patvirtina visą sistemą. Tai yra standartinis bandomojo masto ličio ir kietojo kūno baterijų programų maršrutas.

Techninė nuoroda, kurią parengė TOB New Energy procesų inžinerijos grupė iš pirštinių dėžės įrengimo ličio, kietojo kūno ir bandomojo masto baterijų įrenginiuose. Norėdami gauti atmosferos specifikacijų, susijusių su jūsų specifine chemija, susisiekite su Dr. Dany Huang „LinkedIn“ arba susisiekite su Xiamen inžinerijos skyriumi.