Študija primera: 100Ah Pouch Cell Pilot Line za univerzitetne laboratorije in raziskovalne inštitute

Avtor: dr. Dany Huang
Generalni direktor & vodja raziskav in razvoja, TOB New Energy

dr. Dany Huang

GM / Vodja raziskav in razvoja · Generalni direktor TOB New Energy

Nacionalni višji inženir
Izumitelj · Arhitekt sistemov za proizvodnjo baterij · Strokovnjak za napredno tehnologijo baterij

Stik z dr. Huangom

Temeljna nepovezanost med akademskimi raziskavami baterij in industrijsko komercializacijo je pogosto povzeta v eni sami meritvi: amper-ure (Ah). Že desetletja so se univerzitetni laboratoriji zanašali na gumbasto celico CR2032 (običajno 0,002 Ah) ali majhne eno-slojne vrečke (0,1 do 1 Ah) za validacijo novih katodnih materialov, silicijevih-ogljikovih anod in-elektrolitov v trdnem stanju. Vendar ko akademski raziskovalci predstavijo te podatke v obliki gumbaste celice proizvajalcem originalne opreme za avtomobile ali proizvajalcem-celic prve stopnje, je odgovor skoraj povsod enak: "Pokažite nam podatke v celici velikega{11}}formata."

Fizika vrečaste celice za električna vozila (EV) s kapaciteto 100 Ah se popolnoma razlikuje od žetonske celice. Toplotne disipacije, mehanske napetosti med volumetrično ekspanzijo, nastajanja plina med ciklom nastajanja in porazdelitve elektronov po masivnih zbiralnikih toka ni mogoče natančno modelirati na miliamperskem merilu. Da bi prečkali to »Dolino smrti«, vrhunske-univerze zdaj sodelujejo s-ponudniki baterijskih rešitev na enem mestu, da zgradijo lastne-do-velike pilotne linije.

Ta študija primera zagotavlja strog inženirski načrt za načrtovanje, nabavo in namestitev 100 Ah Pouch Cell Pilot Line znotraj univerzitetne infrastrukture. Preučili bomo kritične prehodne točke, od reologije brozge v velikem obsegu do ekstremnih zahtev več-plastnega ultrazvočnega varjenja.

Zgodovinski razvoj: od ročnega litja do avtomatizirane natančnosti

Da bi razumeli, kam gremo leta 2026, moramo razumeti pot tehnologije premazov. Zgodnje raziskave baterij so temeljile na "litju trakov", postopku, izposojenem iz keramične industrije. Doctor Blade je bil naravna evolucija te-preproste, toge palice, ki je zravnala bazen gnojnice. Dobro je deloval pri zgodnjih baterijah LCO (litijev kobaltov oksid), kjer so bile zahteve glede energijske gostote skromne.

Ko pa se je industrija usmerila k visoko-zmogljivim in-zmogljivim celicam, so postale očitne omejitve »samo-merjenih« sistemov. Uvedba prevleke Slot Die, tehnologije, izpopolnjene v industriji fotografskega filma-in visokokakovostnega papirja, je spremenila obrat za proizvodnjo baterij. Industrijo je premaknil iz "pasivnega" procesa, kjer je folija vlekla tekočino, v "aktiven" proces, kjer oprema narekuje obnašanje tekočine. priTOB NOVA ENERGIJA, smo dokumentirali, da lahko samo ta premik izboljša doslednost med-celicami-za več kot 40 % v okolju pilotne linije.

I. Infrastruktura objekta: predpogoj za-zmogljive celice

Preden se naroči posamezen kos opreme za proizvodnjo baterij, mora univerza obravnavati obrat. Celica 100 Ah vsebuje ogromno količino visoko reaktivnih materialov. Infrastruktura ni le stanovanjska zahteva; je aktivna spremenljivka v elektrokemični učinkovitosti celice.

1. Inženiring ultra-suhih prostorov

Najdražja in kritična infrastruktura za pilotno baterijsko linijo je suha soba. V laboratoriju z gumbastimi celicami zadostuje -argonom napolnjen predal za rokavice. Za celično linijo z vrečko 100 Ah, ki vključuje prevleko--z valja, samodejno zlaganje in polnjenje s tekočim elektrolitom, je sprehod-po suhem prostoru obvezen.

Za standardne kemikalije litij-ionov (NMC/grafit) mora suha soba vzdrževati rosišče -40 stopinj Celzija (približno 127 ppm vode). Če pa univerza namerava raziskati naslednjo-generacijo sulfidnih-elektrolitov v trdnem stanju ali litij-kovinske anode, se zahteva zniža na -60 stopinj Celzija (manj kot 10 ppm). Za doseganje tega so potrebni ogromni rotacijski sušilni razvlaževalniki. Inženiring HVAC mora upoštevati latentno toploto, ki jo ustvarijo ogrevane vakuumske sušilne peči, in vlago, ki jo oddajajo sami raziskovalci (običajno 100 do 150 gramov vode na osebo na uro).

2. Obremenitev tal in izolacija vibracij

Univerzitetne zgradbe, zlasti starejši znanstveni bloki, pogosto niso ocenjeni za industrijske obremenitve tal. Iz-na-valjnik z režami za premazovanje v kombinaciji z visokotlačnim-kontinuirnim kalandirnim strojem lahko tehta več ton in ima ogromne točkovne-obremenitve. Poleg tega kalandirni stroji in planetarni mešalniki ustvarjajo nizko-frekvenčne vibracije, ki lahko motijo ​​sosednje-elektronske mikroskope visoke ločljivosti (TEM/SEM). priTOB NOVA ENERGIJA, naša skupina za načrtovanje objektov sodeluje z univerzitetnimi arhitekti pri načrtovanju vibracij-izolacijskih podlog po meri in izračunavanju dinamične obremenitve tal pred dobavo opreme.

3. NMP rekuperacija topil in upravljanje izpušnih plinov

Postopek nanašanja prevleke uporablja N-metil-2-pirolidon (NMP) kot topilo za katodno goščo. NMP je strupen in ga strogo urejajo okoljski zdravstveni in varnostni standardi (EHS). Pilotna linija s kapaciteto 100 Ah zahteva integriran sistem za obnovitev NMP, pritrjen na izpuh naprave za nanašanje premazov. Ta sistem uporablja kondenzacijo ohlajene vode ali adsorpcijo zeolitnega rotorja za zajemanje hlapov NMP, preden dosežejo osrednji izpuh univerze, kar zagotavlja skladnost z lokalnimi okoljskimi zakoni.

II. -Obdelava sprednjega dela: skaliranje gnojnice in elektrode

Za izdelavo ene celice v vrečki 100 Ah potrebujete približno 3 do 4 kvadratne metre dvo-stransko prevlečene elektrode. Standardna serija 10 celic zahteva 40 kvadratnih metrov. Ne morete več mešati v čaši ali premazati z ročnim rezilom.

1. Visoko-strižno mešanjepri 50-litrski tehtnici

Prehod z 1-litrskega laboratorijskega mešalnika na 50-litrski dvojni planetarni vakuumski mešalnik temeljito spremeni dinamiko tekočine. Pri velikih serijah nadzor temperature postane glavni izziv. Visoke strižne sile ustvarjajo intenzivno lokalno toploto, ki lahko povzroči kristalizacijo veziva PVDF ali prezgodnje izhlapevanje topila.

50-litrski mešalniki, ki jih dobavljamo za univerzitetne pilotne linije, so opremljeni z dvo-plastnimi plašči za vodno hlajenje in več{2}}točkovnimi temperaturnimi senzorji PT100. Poleg tega je kritično vakuumsko razplinjevanje v končni fazi mešanja. Vsi mikro-mehurčki, ujeti v 50-litrski seriji, se bodo med postopkom premazovanja spremenili v luknjice, kar bo povzročilo katastrofalno rast litijevega dendrita v celici 100 Ah.

2. PremazinKalandiranjeza energijsko gostoto

Kot smo razpravljali v naši prejšnji analizi tehnologije matrice z režami, se o pred-odmerjenem premazu v tem obsegu ni-mogoče pogajati. Za celice 100 Ah je površinska masna obremenitev potisnjena do svojih meja (pogosto presega 20 miligramov na kvadratni centimeter za visoko-energijske aplikacije).

Ko je premazana in posušena, je treba elektrodo zgostiti s hidravlično stiskalnico. Kalandiranje 300 mm široke elektrode zahteva na stotine ton linearnega tlaka. Če pritisk ni povsem enakomeren na valjih, se bo folija zmečkala ali "zvila". Naše pilotne kalandirne stroje opremimo s tehnologijo "Roll Bending" in indukcijskim segrevanjem za mehčanje veziva, kar omogoča visoko gostoto stiskanja (npr. 3,6 g/cm3 za katode NMC) brez drobljenja delcev aktivnega materiala.

III. Srednja-končna obdelava: arhitektura vrečke

Sestavljanje vrečke je vaja z izjemno mehansko natančnostjo. Celica 100 Ah ni ena elektrokemična enota; gre za vzporedno povezavo do 80 ali 100 posameznih slojev katode, separatorja in anode.

1. Z-Zlaganjevs.Navijanje

Medtem ko cilindrične celice uporabljajo navijanje, so celice v vrečkah velikega-formata v veliki meri odvisne od Z-zlaganja. V Z-stroju za zlaganje je neprekinjen trak separatorja prepognjen naprej in nazaj v vzorcu "Z", z ločenimi listi izrezane katode in anode, vstavljenimi v gube.

Inženirska toleranca tukaj je neprizanesljiva. Anoda mora biti nekoliko večja od katode ("previs"), da preprečite litijsko prevleko na robovih med hitrim polnjenjem. Če mehanizem zlaganja premakne posamezno katodno plast za 0,5 milimetra, tako da sega mimo anode, je celotna celica 100 Ah nevarnost požara. Naši napredni pilotni stroji za zlaganje uporabljajo več sistemov za vid s kamero CCD za sprotno izvajanje korekcije poravnave zaprte{5}}zanke, kar zagotavlja popolno geometrijo previsa za vsako plast.

2. Fizika več-plastiUltrazvočno varjenje

Ko je celica zložena, je treba vseh 80 plasti aluminijaste folije (od katod) privariti na aluminijasto ploščico, vseh 80 plasti bakrene folije (od anod) pa je treba privariti na nikljevo ali bakreno ploščico.

Pri laserskem varjenju tega ni mogoče storiti, ker bi tanke folije enostavno izhlapele. Namesto tega uporabljamo ultrazvočno varilno opremo. Ta postopek uporablja-visokofrekvenčne akustične vibracije (običajno od 20 kHz do 40 kHz), ki se izvajajo pod pritiskom, da se ustvari-zvar v trdnem stanju.

Varjenje 80 plasti za celico 100 Ah zahteva ogromno moč-pogosto od 3000 do 4500 vatov. Izziv je "preboj zvara." Če je energija prenizka, se spodnje plasti ne bodo povezale (povzročijo visok notranji upor). Če je energija previsoka, bo sonotroda (vibrirajoče orodje) pretrgala zgornje plasti. priTOB NOVA ENERGIJAnudimo prilagojene zasnove rogov sonotrode in sisteme za nadzor dinamičnega tlaka, posebej zasnovane za razmerja med težkimi tab-in-folijami v celicah razreda EV-.

3. Oblikovanje vrečk in globoko vlečenje

Ohišje vrečke je izdelano iz aluminijasto laminiranega filma (ALF)-kompozita najlona, ​​aluminijaste folije in polipropilena. Za držanje velikega sklada 100 Ah je treba globoko "skodelico" hladno-oblikovati v ALF s pomočjo stroja za oblikovanje vrečk.

Pri celicah z veliko-zmogljivostjo lahko globina te skodelice preseže 10 milimetrov. Med globokim vlekom ALF doživi izjemno natezno obremenitev. Če luknjač in matrica nista popolnoma polirana ali če pritisk vpenjanja ni pravilen, bo aluminijasta plast v filmu mikro-počila. Ti nevidni zlomi bodo omogočili vlagi vstop v celico v njeni življenjski dobi, kar bo povzročilo katastrofalno otekanje. Naši pilotni-stroji za oblikovanje skale uporabljajo servo-prebijalce s programabilnimi krivuljami hitrosti za nežno raztezanje filma, ne da bi pri tem kršili njegovo mejo tečenja.

IV. Končna-obdelava: kemija aktivacije

Ko je sklad zapečaten na treh straneh vrečke, postopek preide iz strojništva nazaj v kemijsko inženirstvo.

1. Vakuumsko polnjenje z elektrolitomin Wetting Dynamics

Vbrizgavanje elektrolita v gumbasto celico CR2032 traja nekaj sekund. Vbrizgavanje 100 do 150 gramov elektrolita v tesno stisnjeno 100 Ah vrečko celic je ogromen hidrodinamični izziv. Poroznost stisnjenih elektrod in nanopore separatorja ustvarjajo izjemno kapilarno odpornost.

Če preprosto vlijete tekočino, se bo zbrala na vrhu, tako da bo sredina celice popolnoma suha. Ko je celica napolnjena, bodo te suhe točke postale mrtve cone, zaradi česar bodo mokra območja delovala z dvakratno hitrostjo C- od predvidene, kar takoj uniči celico.

V naših pilotnih baterijskih linijah implementiramo vakuumske sisteme za polnjenje elektrolitov. Nezaprta vrečka se postavi v komoro in izvleče se globok vakuum, s čimer se odstrani ves zrak iz por elektrode. Nato se vbrizga elektrolit. Ko se ponovno vzpostavi atmosferski tlak, fizično potisne tekočino globoko v sredino sklada. Za celice 100 Ah je treba ta vakuumski-tlačni cikel večkrat ponoviti, čemur sledi obdobje počitka pri visoko-temperaturnem staranju, da se zagotovi popolna homogenost vlaženja.

2. Nastanek, pridobivanje plina in sekundarno tesnjenje

Končni korak izdelave je »Oblikovanje«-prvo skrbno polnjenje baterije, da se na anodi ustvari plast medfaze trdnega elektrolita (SEI).

Med tvorbo SEI v sistemu tekočega elektrolita nastane znatna količina plina (predvsem etilena, vodika in ogljikovega monoksida). V celici s 100 Ah je ta prostornina plina ogromna. Zato so celice z vrečko zasnovane s "plinsko vrečko"-dodatno, nezatesnjeno dolžino vrečke ALF, kjer se lahko zbira plin.

Po končanem oblikovanju na naših visoko-natančnih kanalih za testiranje baterij se celica prenese v vakuumski stroj za končno zapiranje. Ta stroj preluknja plinsko vrečko v vakuumskem okolju, izvleče ves nakopičen plin in nanese končno toplotno tesnilo neposredno nad telo celice. Odvečno plinsko vrečko nato odrežemo in zavržemo. Ta postopek zahteva izjemno natančnost, da se zagotovi, da elektrolit ni izsesan skupaj s plinom, kar bi spremenilo natančno izračunano razmerje-in-kapacitete celice.

V. Nadzor kakovosti in varnost v univerzitetnem okolju

Industrijska Gigafactory ima namenske varnostne bunkerje za testiranje celic. Univerzitetni laboratorij se pogosto nahaja v stavbi, polni študentov in drugih raziskovalnih oddelkov. Zato morajo biti protokoli za nadzor kakovosti (QC) in varnostni protokoli za linijo 100 Ah brezhibni.

1. Ne-destruktivno testiranje

Preden 100Ah celico sploh napolnimo, jo je treba pregledati. Integriramo visoko{2}}napetostne visoko-preskuševalne naprave za odkrivanje mikro-kratkih stikov pred polnjenjem elektrolita. Še pomembneje je, da priporočamo sisteme X-inšpekcijskih pregledov za preverjanje notranje poravnave Z-sklada. Če se z rentgenskim žarkom odkrije anomalija previsa anode, se celica odstrani, preden postane nevarnost toplotnega pobega.

2. Toplotno upravljanje in EHS protokoli

Med ciklično-preskušanjem življenjske dobe celice 100 Ah se termični ubežni dogodek sprosti neverjetno količino energije, plina strupene fluorovodikove kisline (HF) in ognja. Oprema za testiranje baterij, ki je na voljo za univerzitetne pilotske linije, mora biti nameščena v protieksplozijsko-varnih okoljskih komorah, opremljenih z aktivnimi sistemi za gašenje požara in namenskim hitrim-izpušnim prezračevanjem.

VI. Ekonomski načrt: Izgradnja pilotne linije 100 Ah

Da bi univerzitetnim glavnim raziskovalcem (PI) in vodjem oddelkov zagotovili realističen okvir za vloge za nepovratna sredstva, je tukaj konceptualna postavitev parametrov za standardno pilotno linijo 100 Ah NMC/Graphite, ki jo je zasnovalTOB NOVA ENERGIJA:

VII. Zaključek: središče inovacij naslednje-generacije

Izgradnja pilotne linije 100 Ah celic za vrečke znotraj univerze je monumentalen podvig. Oddelek za kemijo spremeni v pravo napredno proizvodno središče. Raziskovalcem omogoča, da dokažejo, da lahko njihovi novi materiali prenesejo fizično stiskanje pri kalandriranju, toplotno obremenitev pri mešanju z visokim-strigom in kompleksno dinamiko tekočine pri vakuumskem vlaženju.

Ko lahko univerza predstavi-podatke o življenjskem ciklu, ustvarjene iz popolne, interno proizvedene celice z vrečko 100 Ah, ne objavlja več samo dokumentov-, ampak narekuje prihodnost avtomobilske dobavne verige.

priTOB NOVA ENERGIJA, razumemo, da akademski raziskovalci niso nujno inženirji strojništva. Zato je naš pristop k univerzitetnim baterijskim laboratorijem celosten. Na nakladalni postaji ne odvržemo palet z opremo; načrtujemo objekt, integriramo stroje, usposabljamo post-doktorske študente o protokolih industrijskega delovanja in zagotavljamo stalno dobavo materiala, potrebnega za delovanje pilotne linije. Gradimo most čez Dolino smrti in tako omogočimo, da vaše inovacije dosežejo komercialni svet.

O TOB NOVA ENERGIJA

TOB NOVA ENERGIJAje svetovno priznan-ponudnik rešitev za baterijsko industrijo, namenjen pospeševanju komercializacije naprednih tehnologij za shranjevanje energije. Naše strokovno znanje in izkušnje zajemajo celoten življenjski cikel baterije in zagotavljajo celovite rešitve za laboratorijske raziskave baterij, proizvodne-linije v pilotnem obsegu in popolnoma avtomatizirane objekte za množično proizvodnjo. Poskrbimo za vse prevladujoče in nastajajoče kemije, vključno s sistemi litij-ionov, trdnih-state, natrijev-ionov in litij-žveplovih sistemov.

Z združevanjem vrhunske-akumulatorske opreme po meri, strogo testiranih materialov za baterije in neprimerljivega tehničnega svetovanja,TOB NOVA ENERGIJAomogoča univerzam, raziskovalnim inštitutom in svetovnim proizvajalcem celic, da nemoteno preidejo s konceptualne elektrokemije na-vodilne izdelke na trgu. Smo vaš predan inženirski partner pri iskanju najboljše baterije.