Gestion de la qualité des matériaux d'électrodes positives pour batteries au lithium

Gestion de la qualité des matériaux d'électrodes positives pour batteries au lithium

Les performances des batteries lithium-ion sont étroitement liées à la qualité des matériaux des électrodes positives.

Cet article présente plusieurs formes de défaillance des matériaux d'électrode positive qui ont un impact significatif sur les performances des batteries lithium-ion, telles que le mélange avec des corps étrangers métalliques, une humidité excessive et une mauvaise cohérence des lots. Il élucide les dommages graves que ces formes de défaillance causent aux performances des batteries et explique comment éviter ces défaillances du point de vue de la gestion de la qualité, en fournissant de solides garanties pour prévenir davantage les problèmes de qualité et améliorer la qualité des batteries lithium-ion.

Comme nous le savons tous, le matériau de la cathode est l'un des matériaux de base clés des batteries lithium-ion, et ses performances affectent directement les indicateurs de performance des batteries lithium-ion. À l'heure actuelle, les matériaux cathodiques commercialisés pour les batteries lithium-ion comprennent le cobalate de lithium, le manganate de lithium, le phosphate de fer et de lithium, les matériaux ternaires et d'autres produits.

Par rapport à d'autres matières premières pour les batteries lithium-ion, la variété des matériaux d'électrode positive est plus diversifiée, le processus de production est également plus complexe et le risque de défaillance de la qualité est plus grand, nécessitant ainsi des exigences de gestion de la qualité plus élevées. Cet article traite des formes de défaillance courantes et des mesures préventives correspondantes des matériaux d'électrode positive pour batteries lithium-ion du point de vue des utilisateurs de matériaux.

1. Corps étrangers métalliques mélangés au matériau de l'électrode positive

Lorsqu'il y a du fer (Fe), du cuivre (Cu), du chrome (Cr), du nickel (Ni), du zinc (Zn), de l'argent (Ag) et d'autres impuretés métalliques dans le matériau de la cathode, lorsque la tension dans l'étape de formation du La batterie atteint le potentiel d'oxydation et de réduction de ces éléments métalliques, ces métaux seront oxydés d'abord dans le pôle positif puis réduits au pôle négatif. Lorsque les éléments métalliques au pôle négatif s'accumulent dans une certaine mesure, les bords durs et les coins du métal déposé perceront le diaphragme, provoquant une auto-décharge de la batterie.

L'autodécharge peut avoir un impact fatal sur les batteries lithium-ion, il est donc particulièrement important d'empêcher l'introduction de corps étrangers métalliques depuis la source.

Il existe de nombreux processus de production de matériaux d'électrode positive et il existe un risque d'introduction de corps étrangers métalliques à chaque étape du processus de fabrication. Cela met en avant des exigences plus élevées en matière de niveau d'automatisation des équipements et de niveau de gestion de la qualité sur site des fournisseurs de matériaux. Cependant, les fournisseurs de matériaux ont souvent des niveaux d'automatisation des équipements inférieurs en raison de contraintes de coûts, ce qui entraîne davantage de points d'arrêt dans les processus de production et de fabrication, ainsi qu'une augmentation des risques incontrôlables.

Par conséquent, afin de garantir des performances stables de la batterie et d'éviter l'autodécharge, les fabricants de batteries doivent encourager les fournisseurs de matériaux à empêcher l'introduction de corps étrangers métalliques sous cinq aspects : humain, machine, matériau, méthode et environnement.

À partir du contrôle du personnel, il doit être interdit aux employés de transporter des objets métalliques étrangers dans l'atelier, de porter des bijoux et de porter des vêtements de travail, des chaussures et des gants lorsqu'ils entrent dans l'atelier pour éviter tout contact avec des objets métalliques étrangers avant d'entrer en contact avec de la poudre. Établir un mécanisme de supervision et d'inspection, cultiver la conscience de la qualité des employés et les amener à se conformer et à entretenir consciemment l'environnement de l'atelier.

L'équipement de production est le principal maillon d'introduction de corps étrangers, tels que la rouille et l'usure inhérente aux composants de l'équipement et aux outils qui entrent en contact avec les matériaux ; Composants d'équipement et outils qui n'entrent pas en contact direct avec le matériau, et la poussière adhère et flotte dans le matériau en raison du flux d'air dans l'atelier. Selon le degré d'impact, différentes méthodes de traitement peuvent être adoptées, telles que la peinture, le remplacement par des revêtements en matériaux non métalliques (plastique, céramique) et l'emballage des composants métalliques nus. Les gestionnaires doivent également établir des règles et réglementations correspondantes pour définir clairement comment gérer les corps étrangers métalliques, établir une liste de contrôle et exiger des employés qu'ils effectuent des inspections régulières pour éviter des problèmes potentiels.

Les matières premières sont la source directe de corps étrangers métalliques dans les matériaux des électrodes positives. Les matières premières achetées doivent être soumises à des réglementations sur la teneur en corps étrangers métalliques. Après être entré dans l'usine, une inspection stricte doit être effectuée pour garantir que leur contenu se situe dans la plage spécifiée. Si la teneur en impuretés métalliques des matières premières dépasse la norme, il est difficile de les éliminer lors des processus ultérieurs.

Afin d'éliminer les corps étrangers métalliques, l'élimination électromagnétique du fer est devenue un processus nécessaire dans la production de matériaux d'électrode positive. Les machines électromagnétiques d'élimination du fer sont largement utilisées, mais cet équipement ne fonctionne pas sur les substances métalliques non magnétiques telles que le cuivre et le zinc. Par conséquent, l’atelier doit éviter l’utilisation de composants en cuivre et en zinc. Si nécessaire, il est également recommandé d'éviter tout contact direct avec la poudre ou toute exposition à l'air. De plus, la position d'installation, le nombre d'installations et les réglages des paramètres du déferrisseur électromagnétique ont également un certain impact sur l'effet d'élimination du fer.

Afin d'assurer l'environnement de l'atelier et d'obtenir une pression positive dans l'atelier, il est également nécessaire d'établir des portes doubles et des portes de douche à air pour empêcher la poussière extérieure de pénétrer dans l'atelier et les matériaux polluants. Dans le même temps, les équipements d'atelier et les structures en acier doivent éviter la rouille, et le sol doit également être peint et régulièrement démagnétisé.

2. La teneur en humidité du matériau de l'électrode positive dépasse la norme

Les matériaux des électrodes positives sont principalement constitués de particules microniques ou nanométriques, qui absorbent facilement l'humidité de l'air, en particulier les matériaux ternaires à haute teneur en Ni. Lors de la préparation de la pâte d'électrode positive, si le matériau de l'électrode positive a une teneur élevée en eau, la solubilité du PVDF sera réduite une fois que le NMP aura absorbé l'eau pendant le processus de mélange de la boue, ce qui fera que le gel de pâte se transformera en gelée, affectant les performances de traitement. Après avoir fabriqué une batterie, sa capacité, sa résistance interne, sa circulation et son grossissement seront affectés, de sorte que la teneur en humidité du matériau de l'électrode positive, comme les corps étrangers métalliques, devrait être un projet de contrôle clé.

Plus le niveau d'automatisation de l'équipement de la ligne de production est élevé, plus le temps d'exposition de la poudre dans l'air est court et moins d'eau est introduite. Encourager les fournisseurs de matériaux à améliorer l'automatisation des équipements, par exemple en réalisant un transport complet par pipeline, en surveillant les points de rosée des pipelines et en installant des bras robotisés pour réaliser un chargement et un déchargement automatiques, contribue grandement à empêcher l'introduction d'humidité. Cependant, certains fournisseurs de matériaux sont limités par la conception de l'usine ou par les pressions sur les coûts, et lorsque l'automatisation des équipements n'est pas élevée et qu'il existe de nombreux points d'arrêt dans le processus de fabrication, il est nécessaire de contrôler strictement le temps d'exposition de la poudre. Il est préférable d'utiliser des fûts remplis d'azote pour la poudre pendant le processus de transfert.
La température et l'humidité de l'atelier de production sont également un indicateur clé de contrôle, et théoriquement, plus le point de rosée est bas, plus il est favorable. La plupart des fournisseurs de matériaux se concentrent sur le contrôle de l'humidité après le processus de frittage. Ils pensent qu’une température de frittage d’environ 1 000 degrés Celsius peut éliminer la majeure partie de l’humidité présente dans la poudre. Tant que l'introduction d'humidité depuis le processus de frittage jusqu'à l'étape d'emballage est strictement contrôlée, cela peut essentiellement garantir que la teneur en humidité du matériau ne dépasse pas la norme.

Bien entendu, cela ne signifie pas qu’il n’est pas nécessaire de contrôler l’humidité avant le processus de frittage, car si trop d’humidité est introduite lors du processus précédent, l’efficacité du frittage et la microstructure du matériau seront affectées. De plus, la méthode d’emballage est également très importante. La plupart des fournisseurs de matériaux utilisent des sacs en plastique en aluminium pour l'emballage sous vide, ce qui semble actuellement être la méthode la plus économique et la plus efficace.

Bien entendu, différentes conceptions de matériaux peuvent également présenter des différences significatives en termes d'absorption d'eau, telles que des différences dans les matériaux de revêtement et la surface spécifique, qui peuvent affecter leur absorption d'eau. Bien que certains fournisseurs de matériaux empêchent l'introduction d'humidité pendant le processus de fabrication, les matériaux eux-mêmes ont la particularité d'être faciles à absorber l'eau, ce qui rend extrêmement difficile le séchage de l'humidité après avoir été transformés en plaques d'électrodes, ce qui pose des problèmes aux fabricants de batteries. Par conséquent, lors du développement de nouveaux matériaux, il convient de prendre en compte la question de l’absorption de l’eau et du développement de matériaux ayant une plus grande universalité, ce qui est grandement bénéfique à la fois pour l’offre et la demande.

3. Mauvaise cohérence des lots de 3 matériaux d'électrode positive

Pour les fabricants de batteries, plus la différence est petite et meilleure est la cohérence entre les lots de matériaux d’électrode positive, plus les performances de la batterie finie peuvent être stables. Comme nous le savons tous, l’un des principaux inconvénients du matériau cathodique au phosphate de fer et au lithium est la mauvaise stabilité du lot. Dans le processus de réduction en pâte, la viscosité et la teneur en matières solides de chaque lot de boue sont instables en raison de fluctuations importantes des lots, ce qui pose des problèmes aux utilisateurs et nécessite un ajustement constant du processus pour s'adapter.

L’amélioration du degré d’automatisation des équipements de production est le principal moyen d’améliorer la stabilité des lots de matériaux de phosphate de fer et de lithium. Cependant, à l'heure actuelle, le degré d'automatisation des équipements des fournisseurs nationaux de matériaux de phosphate de fer et de lithium est généralement faible, le niveau technique et la capacité de gestion de la qualité ne sont pas élevés et les matériaux fournis présentent des problèmes d'instabilité des lots à différents degrés. Du point de vue des utilisateurs, si les différences entre les lots ne peuvent pas être éliminées, nous espérons que plus le poids d'un lot est élevé, mieux c'est, à condition que les matériaux du même lot soient uniformes et stables.

Ainsi, afin de répondre à cette exigence, les fournisseurs de matériaux fer-lithium ajoutent souvent un processus de mélange après la fabrication du produit fini, qui consiste à mélanger uniformément plusieurs lots de matériaux. Plus le volume de la cuve de mélange est grand, plus elle contient de matériaux et plus la quantité de lot mélangé est importante.

La taille des particules, la surface spécifique, l'humidité, la valeur du pH et d'autres indicateurs des matériaux fer-lithium peuvent affecter la viscosité de la boue produite. Cependant, ces indicateurs sont souvent strictement contrôlés dans une certaine plage, et des différences significatives de viscosité entre les lots de lisier peuvent encore exister. Afin d'éviter les anomalies lors de l'utilisation par lots, il est souvent nécessaire de simuler la formule de production et de préparer des tests de viscosité des boues à l'avance avant de les mettre en service, et ce n'est qu'après avoir satisfait aux exigences qu'elles peuvent être mises en service. Mais si les fabricants de batteries effectuent tester avant chaque production, cela réduira considérablement l’efficacité de la production, ils transmettront donc ce travail au fournisseur de matériaux et exigeront que le fournisseur de matériaux termine les tests et réponde aux exigences avant l’expédition.

Bien entendu, avec les progrès de la technologie et l’amélioration des capacités de processus des fournisseurs de matériaux, la dispersion des propriétés physiques devient de plus en plus petite et l’étape de test de viscosité avant expédition peut être omise. En plus des mesures mentionnées ci-dessus pour améliorer la cohérence, nous devons également utiliser des outils de qualité pour minimiser l'instabilité des lots et éviter que des problèmes de qualité ne surviennent. Principalement à partir des aspects suivants.

(1) Établir des procédures opérationnelles.

La qualité inhérente d’un produit est à la fois conçue et fabriquée. Par conséquent, la manière dont les opérateurs opèrent est particulièrement importante pour contrôler la qualité des produits, et des normes d’exploitation détaillées et spécifiques doivent être établies.

(2) Identification du CTQ.

Identifiez les indicateurs et les processus clés qui affectent la qualité des produits, surveillez ces indicateurs de contrôle clés et développez les mesures d'intervention d'urgence correspondantes. La voie ferrée de l’acide orthophosphorique constitue le courant dominant de la préparation actuelle du phosphate de fer et de lithium. Ses processus comprennent le dosage par lots, le broyage à boulets, le frittage, le concassage, l'emballage, etc. Le processus de broyage à boulets doit être géré comme un processus clé, car si la consistance de la taille des particules primaires après le broyage à boulets n'est pas bien contrôlée, la consistance des particules la taille du produit fini sera affectée, ce qui affectera la cohérence du lot des matériaux.

(3) L'utilisation du CPS.

Effectuer une surveillance SPC en temps réel des paramètres caractéristiques clés des processus clés, analyser les points anormaux, identifier les causes d'instabilité, prendre des mesures correctives et préventives efficaces et éviter que les produits défectueux ne parviennent au client.

4. Autres situations défavorables

Lors de la fabrication de boue, le matériau de l'électrode positive est mélangé uniformément avec des solvants, des adhésifs et des agents conducteurs dans une certaine proportion dans le réservoir à boue, puis déchargé à travers le pipeline. Un tamis filtrant est installé à la sortie pour intercepter les grosses particules et les corps étrangers dans le matériau de l'électrode positive et garantir la qualité du revêtement. Si le matériau de l'électrode positive contient de grosses particules, cela provoquera un colmatage du tamis filtrant. Si la composition des grosses particules est toujours le matériau de l'électrode positive lui-même, cela affectera uniquement l'efficacité de la production et n'affectera pas les performances de la batterie, et ces pertes peuvent être réduites. Mais si la composition de ces grosses particules est incertaine et qu’il s’agit d’autres corps étrangers métalliques, la bouillie déjà préparée sera complètement mise au rebut, ce qui entraînera d’énormes pertes.

L'apparition de cette anomalie devrait être due à des problèmes internes de gestion de la qualité au sein du fournisseur de matériaux. La plupart des matériaux d'électrode positive sont produits par le biais de processus de criblage et si l'écran est endommagé, inspecté et remplacé en temps opportun. Si l'écran est endommagé, il n'y a pas de mesures anti-fuite et il reste encore à améliorer la détection de grosses particules lors de l'inspection en usine.