Kaip ultragarsinis purškimas naudojamas baterijos skirtuko izoliacinei dangai?

Kai baterijos ąselės izoliacijai padengti naudojamas purškimas ultragarsu, jis pirmiausia suderina ir iš anksto{0}}apdoroja tinkamas izoliacines medžiagas, o tada tiksliai išpurškimo ir nusodinimo būdu suformuoja plėvelę. Parametrų valdymas taip pat gali užtikrinti dangos kokybę, todėl jis tinkamas didelio masto-gamybai. Konkretus procesas ir detalės yra tokios:

**Preliminarus medžiagos paruošimas ir pritaikymas:** Akumuliatoriaus ąselės dažniausiai gaminamos iš aliuminio arba vario, todėl reikia pasirinkti izoliacines medžiagas, atsparias elektrolitų korozijai. Dažniausiai naudojamos polimerinės suspensijos, tokios kaip PVDF (polivinilideno fluoridas) ir PTFE (politetrafluoretilenas). Taip pat gali būti naudojamos sudėtinės suspensijos, kuriose yra rišiklių ir neorganinių izoliacinių medžiagų, kad būtų išvengta skirtukų elektrolitų korozijos.
**Vėlesnis srutų apdorojimas:** Medžiagos klampumas sureguliuojamas iki ultragarsiniam purškimui tinkamo diapazono. Ultragarsinė dispersija pašalina dalelių aglomeraciją srutoje, užtikrina vienodą ir stabilią srutą, neleidžia vėlesniam purškimo galvutės užsikimšimui ir garantuoja dangos tankį.

Prieš dengiant, elektrodo paviršius turi būti nuvalytas, kad būtų pašalinta alyva, atplaišos ir kiti nešvarumai, kad jie nepakenktų dangos ir elektrodo sukibimui ir sumažintų izoliacijos gedimo riziką. Tuo pačiu metu ultragarso dengimo įranga turi būti derinama. Atsižvelgiant į elektrodo matmenis (pvz., plotį ir storį) ir dangos reikalavimus, parenkama korozijai -atspari purškimo galvutė, o automatizuota trijų-ašių judesių sistema arba robotinė ranka valdo purškimo kelią. Ultragarso dažnis, purškimo greitis ir substrato temperatūra iš anksto nustatomi kompiuterine PLC sistema, kad būtų užtikrintas purškimo tikslumas.

 

Purškimas ir tikslus plėvelės nusodinimas: iš anksto apdorota izoliacinė suspensija pirmiausia tiekiama į ultragarsinį purškimo antgalį per padavimo sistemą. Purkštuko viduje esantis pjezoelektrinis keraminis keitiklis sukuria aukšto-dažnio mechanines 10-180 kHz vibracijas, kai sužadinamas aukšto-dažnio elektrinis signalas. Ši vibracinė energija perduodama suspensijos paviršiui, todėl suspensija įveikia paviršiaus įtampą ir suskaidoma į vienodus 1-50 μm mikro{8} lašelius, sudarydama purškiantį kūgį. Tada, varomi inertinių nešančiųjų dujų, tokių kaip azotas, šie mikrolašeliai nukreipiami į nurodytą akumuliatoriaus elektrodo vietą. Šis bekontakčio purškimo procesas leidžia išvengti fizinių skirtukų pažeidimų.

Lašeliams nusėdus ant skirtuko paviršiaus, suspensijoje esantis tirpiklis pašalinamas džiovinant žemoje -temperatūroje ir susidaro be skylutės, labai tanki izoliacinė danga. Purškimo metu galima reguliuoti tokius parametrus kaip purškimo galia ir padavimo greitis, kad dangos storio paklaida būtų kontroliuojama ±5 % ribose, kad atitiktų itin plonos dangos reikalavimus, keliamus skirtukų izoliacijai. Tuo pačiu metu ultragarsinis purškimas pasiekia 85–95% medžiagų panaudojimo koeficientą, sumažinant izoliacinės medžiagos atliekas ir gamybos sąnaudas.

 

Didelės apimties{0}}masinei gamybai galima naudoti kelių-purkštukų masyvo konstrukciją, kad būtų pasiektas plataus-pločio purškimas, pritaikytas įvairių specifikacijų skirtukų paketiniam apdorojimui. Įranga taip pat palaiko 24-valandų nepertraukiamą purškimą, o naudojant automatinę valdymo sistemą rankinio įsikišimo sumažėja. Tai užtikrina kiekvienos partijos skirtukų dangos nuoseklumą masinės gamybos metu, kartu gerinant gamybos efektyvumą, tenkinant didelio masto gamybos poreikius baterijų pramonėje.

 

Ultragarsinis purškimas suteikia pagrindinių pranašumų naudojant akumuliatoriaus dangtelį, tenkinant pagrindinius baterijų gamybos poreikius (saugą, nuoseklumą, sąnaudų kontrolę ir mastelį). Palyginti su tradiciniu purškimu (purškimu oru, aukšto slėgio beoriu purškimu), panardinimu ir kitais procesais, jo pranašumai yra ryškesni ir lengviau pritaikomi. Šis paaiškinimas, pagrįstas konkrečiais pramonės scenarijais ir duomenimis, iliustruoja šiuos pranašumus:

I. Tikslus ir kontroliuojamas dangos tolygumas ir storis – pagrindinės „izoliacijos gedimo“ skausmo taško sprendimas
Akumuliatoriaus ąselės (aliuminio / vario medžiaga, paprastai 3–20 mm pločio ir 0,1–0,3 mm storio) reikalauja izoliacinės dangos, kurioje nėra skylučių, nėra praleistų vietų ir kurios yra vienodo storio (paprastai 5–50 μm). Jei to nepasieksite, gali atsirasti korozija tarp skirtuko ir elektrolito arba trumpasis jungimas tarp teigiamo ir neigiamo elektrodų, o tai gali sukelti pavojų saugai.

Ultragarsinio purškimo privalumai: vienodas išpuršktų dalelių dydis (tiksliai valdomas nuo 1-50 μm), nėra „lašelių susikaupimo“, kai lašeliai nusėda ant skirtuko paviršiaus, ir dangos storio paklaida Mažiau arba lygi ±5 % (palyginti su ±15–20 % tradicinio purškimo oru atveju). Palaikomas „tiksliai lokalizuotas purškimas“, leidžiantis padengti tik tokias svarbias vietas kaip ąselių kraštai ir suvirinimo vietos, vengiant dangos, dengiančios laidžius kontaktinius ąselių paviršius (pvz., suvirinimo taškus tarp ąselių ir elektrodų lakštų), todėl nebereikės vėlesnių lazerinio ėsdinimo procesų.

Atvejo tyrimas: Maitinimo baterijų gamintojas naudojo PVDF izoliacinę srutą, kad pagamintų aliuminio skirtukus, kuriems reikia 15±2 μm dangos storio. Tradicinis oro purškimas lėmė nevienodo dydžio lašelių dydį, todėl 30 % skirtukų buvo „lokalios pernelyg plonos vietos (<10μm)" or "localized areas of excessive thickness (>20 μm)." Plonesnės sritys korozijos atsirado per 3 mėnesius po elektrolito panardinimo. Perėjus prie ultragarsinio purškimo purškimo, dangos storio tolygumas pagerėjo iki 15±0,7 μm, korozijos gedimo dažnis sumažėjo iki mažiau nei 0,5%, o akumuliatoriaus ciklo tarnavimo laikas padidėjo nuo 1200 ciklų iki 1500 ciklų.

 

II. Nekontaktinis purškimas

Akumuliatoriaus ąselės yra gana plonos (ypač maišeliuose akumuliatoriuose, kurių storis gali būti net 0,08 mm). Tradiciniai kontaktinio dengimo metodai (pvz., ritininis padengimas) arba purškimas aukštu -slėgiu (oro srauto smūgio slėgis > 0,3 MPa) gali lengvai deformuotis ir susiraukšlėti, o tai turi įtakos tolesniam kapsulės sandarinimui. Be to, įbrėžimai ar įdubimai ant ąselės paviršiaus tampa įtempių koncentracijos taškais, dėl kurių gali atsirasti įtrūkimų akumuliatoriui plečiant ir susitraukiant įkraunant ir iškraunant.

Ultragarsinio purškimo privalumai: purškimo procesas priklauso nuo ultragarsinės vibracijos (be didelio{0}}slėgio oro srauto poveikio), o lašeliams tiekti naudojamos žemo-slėgio dujos (slėgis < 0,05 MPa). Smūgio jėga ant skirtukų yra tik 1/10 tradicinio purškimo oru jėgos, visiškai išvengiama ąselės deformacijos.

Purškimo atstumą galima lanksčiai reguliuoti (50-200 mm), todėl nereikia glaudaus kontakto su skirtuko paviršiumi ir sumažinama trinties bei įbrėžimų tarp antgalio ir skirtuko rizika.

Atvejo tyrimas: vartotojų ličio baterijų gamintojas, gaminantis minkštus{0}}varinius (0,1 mm storio) skirtukus, pastebėjo 8 % ąselės deformacijos laipsnį ir 3 % nuotėkio greitį po kapsuliavimo naudojant tradicinę ritininę dangą. Perėjus prie ultragarsinio purškimo, skirtuko deformacijos greitis nukrito iki žemiau 0,3%, nuotėkio greitis buvo kontroliuojamas 0,1% tikslumu, o skirtuko paviršiaus šiurkštumas Ra < 0,2 μm (atitinka kapsulių klijų surišimo reikalavimus).

 

III. Didelis medžiagų sunaudojimas – brangiųjų metalų ir didelės vertės pastų kainos sumažinimas. Kai kuriose aukščiausios klasės-programose naudojamos laidžios izoliacinės kompozicinės pastos, kurių sudėtyje yra tauriųjų metalų, tokių kaip sidabras ir nikelis, todėl medžiagų sąnaudos yra didesnės (pvz., PVDF pasta kainuoja apie 500 RMB/kg).

Ultragarsinio purškimo privalumai: stipriai nukreipti purškiami lašeliai pašalina „skraidančią rūką“, todėl medžiagos panaudojimas siekia 85–95 % (palyginti su tik 30–50 % tradicinio purškimo oru atveju, o dėl oro srauto prarandama daug medžiagos).

Tiekimo greitis (0,1-10 ml/min.) gali būti tiksliai valdomas naudojant PLC sistemą, prisitaikant prie skirtingų skirtukų pločio dangos reikalavimų ir išvengiant „perdengimo“.

Atvejo tyrimas: Energijos akumuliatorių gaminanti įmonė kasmet pagamina 10 GWh ličio baterijų, todėl reikia padengti maždaug 200 milijonų aliuminio dėklų. Kiekvienam skirtukui reikia 0,01 g izoliacinės srutos (teorinis naudojimas). Tradicinis purškimas oru vienam vienetui sunaudoja 0,02–0,03 g srutų, iš viso 4–6 tonas per metus, o kaina 2–3 mln. RMB. Perėjus prie ultragarsinio purškimo, faktinis srutų suvartojimas yra tik 0,011–0,013 g vienam vienetui, iš viso 2,2–2,6 tonos per metus, todėl išlaidos sumažėja iki 1,1–1,3 mln. RMB, todėl per metus sutaupoma maždaug 1 mln. RMB.

 

IV. Žemos temperatūros plėvelės susidarymas
Kai kuriems aukščiausios klasės{0}}baterijų skirtukams reikalingos šilumai jautrios izoliacinės medžiagos (pvz., PVDF kompozicinės suspensijos, kuriose yra elastomerų, kurių atsparumas temperatūrai yra mažesnis nei 80 laipsnių arba lygus jai) arba ėsdinančių suspensijų (pvz., fluoropolimerų dispersijos). Tradicinis terminis purškimas (reikalaujantis kaitinimo iki daugiau nei 100 laipsnių) gali sukelti medžiagos irimą, o purškimas aukštu -slėgiu yra linkęs į įrangos gedimą dėl purkštukų srutos korozijos.

Ultragarsinio purškimo privalumai: Ultragarsinis purškimas generuoja šilumą tik per vibraciją, kai purškimo zonos temperatūra yra mažesnė arba lygi 50 laipsnių. Taip išsaugomas šilumai -jautrių medžiagų elastingumas ir izoliacinės savybės, neleidžiant nutrūkti polimero grandinei.

 

Purkštukai gali būti pagaminti iš korozijai{0}}atsparių medžiagų, pvz., PTFE, keramikos ir Hastelloy, ir yra suderinami su korozinėmis srutomis, kuriose yra fluoro arba silpnų rūgščių ir šarmų, todėl pašalinama įrangos korozijos rizika.

Atvejo tyrimas: kietojo-valstybės akumuliatorių įmonė naudojo elastingą izoliacinę suspensiją, kurioje yra polieterketono (PEEK) (atsparumas temperatūrai Mažiau nei 70 laipsnių arba lygi). Tradicinis terminis purškimas privertė suspensiją suirti kaitinant iki 120 laipsnių, sumažinant dangos izoliacijos varžą nuo 10¹²Ω iki 10⁸Ω. Perjungus į ultragarsinį purškimą (kambario temperatūros plėvelės formavimas), dangos izoliacijos varža išlaikė 10¹²Ω, o tamprumo modulis atitiko skirtuko lenkimo reikalavimus (po 1000 lenkimų nebuvo įtrūkimų).