Les défauts du revêtement des batteries au lithium-ion proviennent de trois parties principales : la pâte de revêtement, la fenêtre de revêtement et le processus de séchage du revêtement.
Dans le processus de préparation des boues, une dispersion incomplète introduit des particules agglomérées ; une filtration insuffisante pour éliminer le fer introduit des débris métalliques ; et une désaération sous vide incomplète laisse de nombreuses bulles. Les défauts de revêtement correspondants comprennent les agglomérats, la contamination par des particules métalliques, les piqûres, la peau d'orange, etc.
Les paramètres du processus de revêtement (débit volumétrique de la boue, vitesse de revêtement, espacement des fentes, etc.) dépassant la fenêtre de revêtement peuvent entraîner un entraînement d'air, un affaissement, des rayures horizontales périodiques et des rayures verticales. De plus, les vibrations périodiques des pompes d'alimentation, des rouleaux d'enduction, etc. peuvent également produire des rayures horizontales périodiques.
Pendant le processus de séchage du revêtement, des températures de séchage trop élevées peuvent provoquer des défauts tels qu'une migration du liant, des bords épais et des fissures.
Pour former un revêtement stable et uniforme, les conditions suivantes doivent être simultanément remplies pendant le processus de revêtement :
① Propriétés stables de la boue, pas de sédimentation, pas de changement de viscosité, de teneur en matières solides, etc.
② Alimentation en boue stable, formant un état d'écoulement uniforme et stable à l'intérieur de la filière.
③ Le processus de revêtement se déroule dans la fenêtre de revêtement, formant un champ d'écoulement stable entre la filière et le rouleau de revêtement.
④ Mouvement stable de la feuille, pas de glissement de la bande, de vibrations importantes ou de plis.
Il existe de nombreux types de défauts du film de revêtement, dont les causes sont variables. Cet article se concentre sur le revêtement des puces-pour les batteries lithium-ion, analysant plusieurs défauts courants et proposant les solutions correspondantes. Les défauts courants incluent les défauts ponctuels, les effets de bord et les défauts irréguliers.
I. Défauts ponctuels
1. Trous d'épingle
Définition:Défaut dans lequel l'air s'échappant des pores du matériau forme des trous pendant le processus de séchage du revêtement. Les bulles dans le film humide migrent de la couche interne vers la surface du film et se rompent, formant des défauts en microtrous. Les bulles proviennent principalement du brassage, du transport du liquide de revêtement et du processus de revêtement.
Mesures d'amélioration :Appliquez le vide, sélectionnez la CMC avec une bonne dispersibilité et des performances stables, ajustez la teneur en solides, le rapport CMC et SBR, etc., ajustez la vitesse et le temps d'agitation.
2. Cratère (trou de retrait)
Définition:Un défaut causé par des points de faible tension superficielle sur la surface du substrat.
Causée par diverses particules (poussière, taches d'huile, particules métalliques, etc.). La présence de particules étrangères crée des zones de faible tension superficielle dans le film humide à la surface des particules. Le film liquide migre radialement autour des particules, formant des défauts ponctuels ressemblant à des cratères, comme indiqué ci-dessous.
Mesures d'amélioration :Filtrez le liquide de revêtement pour éliminer le fer, contrôlez la poussière ambiante, nettoyez la surface du substrat.
3. Bulles de revêtement d’anode
Saillie de particules d'agglomérat :Si la suspension n'est pas agitée uniformément et que l'agent conducteur n'est pas dispersé, formant des agglomérats, ce type de défaut se produit. Comme indiqué ci-dessous, de grandes zones de saillies apparaissent à la surface de l'électrode. L'observation de ces zones sous grossissement révèle qu'il s'agit d'agglomérats de l'agent conducteur.
Mesures d'amélioration :Améliorez le processus d’agitation des boues pour les éliminer.
4. Peau d'orange
Définition:Défaut d’aspect de surface où le revêtement ressemble à la texture d’une peau d’orange.
Causes :Pendant le revêtement, en raison de l'évaporation du solvant, des différences de température apparaissent dans différentes zones, créant une différence de concentration entre les couches supérieure et inférieure de la suspension. Cela forme un gradient de tension superficielle et un phénomène de convection naturelle, provoquant la migration de la solution de revêtement, entraînant finalement une surface de revêtement inégale et des défauts de peau d'orange. Des vitesses de séchage trop rapides dans le four ou une vitesse élevée de l'air chaud peuvent provoquer une solidification prématurée de la solution avant son nivellement, formant également des défauts de peau d'orange.
Mesures d'amélioration :
Réduisez le taux de séchage, en laissant à la solution suffisamment de temps pour se niveler.
Ajoutez des solvants à faible-volatilité, des tensioactifs, etc. à la solution pour réduire les différences de température et de concentration.
II. Défauts de ligne
1. Rayures
Définition:La surface du revêtement est rayée en rainures linéaires de longueurs variables et de côtés irréguliers en raison du contact avec des objets pointus, comme indiqué ci-dessous.
Causes possibles :Agglomérats de grosses particules, corps étrangers ou grosses particules coincées dans l'espace de fente ou l'espace de revêtement ; une mauvaise qualité du substrat provoquant le blocage par des corps étrangers de l'espace de revêtement entre le rouleau de revêtement et le rouleau de support ; dommages à la lèvre de la filière. De plus, pendant le fonctionnement de l'équipement, une tension inégale ou un volume d'air inapproprié dans le four peuvent provoquer le grattage de l'électrode pendant le déplacement, provoquant également des défauts de rayures.
Mesures d'amélioration :Retirez les particules de la lèvre ou de l'espace de revêtement, remplacez les filtres, inspectez la lèvre de la filière. Pour les problèmes causés par le grattage, arrêtez la ligne pour dépanner, trouvez l'emplacement de grattage, retirez l'obstacle ou ajustez de manière appropriée le volume d'air du four pour résoudre le défaut de la ligne de grattage tout en garantissant la sécheresse de l'électrode.
Grosses particules dans le lisier :Ajustez la CMC, augmentez le temps d’agitation. L'utilisation d'une CMC uniforme avec une bonne dissolution, un minimum de résidus de fibres et une gélification, un bon effet d'hydratation, peut bien disperser les particules de matériau ; augmentez le temps d'agitation, nettoyez les particules molles résiduelles des tamis, tamisez la boue.
2. Stries verticales
Définition:Défauts rayés apparaissant dans le revêtement, parallèlement à la direction de défilement du substrat, s'étendant continuellement dans le sens de la longueur, comme indiqué ci-dessous.
Causes possibles :Se produit généralement près de la limite de vitesse supérieure de la fenêtre de revêtement, plus évident avec des revêtements minces. Répartition inégale du lisier sur la surface du film.
Mesures d'amélioration :Ajustez la viscosité de la boue (un dispersant excessif ajouté pour une dispersion uniforme peut rendre la viscosité trop élevée ; le comportement du fluide non-newtonien provoque un mauvais nivellement une fois que la boue est transférée de la coucheuse à la surface de la feuille, ne se propageant pas uniformément.) ; réduire la vitesse de revêtement (la réduction de la vitesse permet à la boue de perdre son « élasticité » et de se niveler rapidement) ; réduire l'espace de revêtement entre le rouleau de revêtement et le rouleau de support ; utiliser des dispersants bien-dispersants avec un dosage approprié.
3. Stries horizontales
Définition:Défauts rayés apparaissant dans le revêtement, perpendiculairement au sens de défilement du substrat, traversant la largeur de la bande.
Causes possibles :Vibrations mécaniques ; fluctuation de la vitesse du Web ; fluctuations périodiques du débit d'approvisionnement en lisier.
Mesures d'amélioration :Confirmez si la fréquence des perturbations mécaniques correspond à la fréquence d’apparition des stries horizontales.
4. Bord ondulé
Définition:Défaut caractérisé par des rayures ondulées apparaissant en bordure du revêtement.
Deux raisons principales provoquent des défauts de bord ondulé : l'une est liée à la feuille, par exemple, une rugosité inacceptable de la surface de la feuille, l'oxydation de la feuille, une contamination secondaire pendant le transport ou le déroulement peuvent toutes causer des problèmes de bord ondulé. Pour de tels problèmes, remplacez-le par une nouvelle feuille de revêtement. Une autre raison est l'inadéquation entre la viscosité de la boue et l'extension de la cale. Pendant le revêtement, l'agitation prolongée du réservoir d'alimentation peut provoquer une diminution de la viscosité, ou une mauvaise mouillabilité de l'agent conducteur pendant l'agitation affecte gravement la viscosité de la suspension. Les changements de viscosité (diminution) signifient que l'extension de cale actuelle n'est plus adaptée ; remplacez-la par une cale d'extension plus grande pour résoudre les bords ondulés causés par la réduction de la viscosité.
5. Fissuration
Définition:Défaut où des fissures entrelacées apparaissent sur la surface du revêtement.
Causes :Séchage excessif ou trop rapide. En raison d'un échauffement inégal des différentes parties de l'électrode lors de l'arrêt, certains bords sèchent trop rapidement, d'autres trop lentement lors du séchage. Si la contrainte interne générée au sein du revêtement n’est pas entièrement relâchée, celui-ci se fissurera.
Mesures d'amélioration :Ajustez le temps et la vitesse de séchage ; ajuster la teneur en solides (une faible teneur en solides peut provoquer un séchage trop rapide et excessif du revêtement, entraînant des gondolages et des fissures) ; Pour des raisons de tension du matériau de revêtement, contrôlez les fissures en ajustant l'entrée d'air du four.
III. Effets de bord
1. Bord épais (accumulation de bord)
Définition:Défaut dans lequel l'épaisseur du revêtement sur les deux bords de la largeur enduite est supérieure à l'épaisseur moyenne. Souvent, les bords sont épais et le centre est fin, c'est-à-dire un bord épais.
Cause:Migration massive provoquée par la tension superficielle. Comme indiqué ci-dessous, initialement, le bord du film humide est plus fin, le solvant s'évapore plus rapidement qu'au centre, provoquant une augmentation rapide de la teneur en solides au bord. La tension superficielle au bord devient bien supérieure à celle du film humide central. La tension superficielle plus importante au niveau du bord et l'évaporation plus rapide du solvant entraînent le liquide de la partie intérieure vers le bord, formant un bord épais après séchage.
Le phénomène de bord épais est un défaut défavorable. Les mesures pour le prévenir et l’atténuer comprennent :
① Avec un débit de boue constant, la réduction de la taille de la fente augmente la vitesse de sortie de la boue au niveau de la filière, réduisant ainsi le rapport de force de traînée de la boue, réduisant ainsi l'épaisseur du bord épais. Cependant, une taille de fente plus petite crée une pression interne plus élevée dans la filière, provoquant plus facilement un gonflement des lèvres de la filière, conduisant à une uniformité inégale de l'épaisseur transversale du revêtement, nécessitant un équipement de revêtement de plus grande précision.
② La réduction de l'espace de revêtement peut réduire de manière limitée l'épaisseur et la largeur du bord épais.
③ Réduisez la tension superficielle de la boue, par exemple en ajoutant des tensioactifs, pour empêcher l'écoulement de la boue vers le bord pendant le séchage.
④ Optimisez la forme de sortie de la cale à fente pour modifier la direction et l'ampleur de la vitesse d'écoulement de la boue, réduire l'état de contrainte de la boue de bord et affaiblir l'effet de gonflement de bord de la boue.
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2. Dépression des bords
Définition:Semblable aux défauts de ligne de type dépression de bord.
Cause:Un facteur clé à l’origine des défauts des lignes de dépression des bords est lié à la pression du revêtement. Lorsque la pression de revêtement à l'intérieur de la cavité de la matrice est relativement faible, une dépression de bord se produit au niveau des positions de bord du revêtement d'électrode.
Mesures d'amélioration :Une méthode consiste à ajouter du Téflon des deux côtés de la cavité de la matrice pour augmenter la pression de revêtement des bords, améliorer la quantité de revêtement des bords et résoudre la dépression des bords. L'autre consiste à réduire l'épaisseur des cales, également à augmenter la pression de revêtement de la cavité et à éviter l'enfoncement des bords.
3. Les rides
Définition:Défaut où des rides apparaissent sur le revêtement lors du processus de séchage.
Les principaux facteurs comprennent : la tension de déroulement/rembobinage, les rapports de rouleaux, les spécifications de la feuille de cuivre (plus courantes dans les types larges et fins), le diamètre de l'arbre de rembobinage, la densité d'enroulement du film PET, etc.
Contre-mesures d’amélioration :Optimisez les courbes de tension, modifiez les rapports des rouleaux, ajustez les rouleaux régulateurs et augmentez la densité d'enroulement du film PET sur les rouleaux.
4. Bord faible/bord flou
Définition:La différence de couleur entre le matériau enduit et le matériau de bord est faible, sans limite claire ; une détection de bord inexacte en raison d'un bord faible peut conduire à une mesure de distance inexacte, affectant par la suite le lien de correction de l'écart-de suivi.
Causes :Matériau se balançant à gauche et à droite ; différents matériaux/boues ont des niveaux de gris différents ; interférences dues à des défauts d'aspect au niveau du bord du revêtement, etc.
Mesures d'amélioration :Optimisez le système d’imagerie et l’algorithme de détection des contours.
D'autres défauts courants du revêtement comprennent : l'entraînement d'air, les ondes transversales, l'affaissement, le ruissellement, l'expansion, la formation de flaques, etc.
La complexité des défauts de revêtement
Les défauts de revêtement, de leurs causes aux méthodes d’élimination et même aux méthodes de contrôle, sont assez complexes.
Premièrement, les facteurs à l’origine des défauts sont complexes. Chaque opération unitaire ou étape du processus de revêtement peut affecter la qualité du revêtement, entraînant des défauts de qualité dans le produit final. Outre les effets directs des facteurs provoquant les défauts, les interactions entre différents facteurs peuvent également provoquer des défauts.
Deuxièmement, identifier la source des défauts est complexe. Les défauts peuvent apparaître au cours de la même étape du processus ou seulement après plusieurs opérations. Parfois, des traces de revêtement sont trouvées au poste de revêtement, mais les défauts de mélange ou de contamination ne deviennent visibles qu'après la fin du séchage. Même les défauts du substrat peuvent ne pas être détectés tant que le produit final n'est pas rembobiné ou après refente.
Troisièmement, l’apparition de défauts est aléatoire. Des défauts peuvent survenir à n'importe quelle étape du cycle de développement du produit, depuis la préparation de la bouillie à l'échelle du laboratoire, jusqu'au revêtement pilote, en passant par la production à plus grande échelle. Chaque étape peut présenter des défauts différents, et l'élimination lors de la phase initiale ne garantit pas une étape suivante-sans défaut. De manière plus complexe, des défauts d’apparence similaires peuvent avoir de nombreuses causes, et la cause peut différer à chaque fois, comme par exemple des bulles, des taches ou des ondulations.
Enfin, les défauts peuvent également être déterminés par la conception initiale de la coucheuse et les performances de chaque unité matérielle sur la chaîne de production de revêtement. Une coucheuse peut être raisonnable pour le produit pour lequel elle a été initialement personnalisée, mais les changements de produit ou les variations de coûts peuvent empêcher la coucheuse de répondre aux exigences.
L'analyse ci-dessus met en évidence les défis complexes liés au revêtement des électrodes des batteries au lithium-ion. Obtenir des résultats cohérents et de haute-qualité nécessite non seulement des connaissances techniques approfondies, mais également des équipements de précision, des matériaux stables et une ligne de production parfaitement intégrée.
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