Batterie au lithium Top 10 des équipements clés – Machine de revêtement – Taipu Technology

La technologie de revêtement est un procédé basé sur l’étude des propriétés des fluides, qui consiste à appliquer une ou plusieurs couches de liquide sur un substrat. Le substrat est généralement un film ou un papier flexible. Le revêtement liquide est ensuite séché ou durci à l’aide de méthodes telles que le séchage au four pour former une couche avec des fonctionnalités spéciales, telles que ...

Batterie au lithium Top 10 des équipements clés - Machine de revêtement

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La technologie de revêtement est un procédé basé sur l’étude des propriétés des fluides, qui consiste à appliquer une ou plusieurs couches de liquide sur un substrat. Le substrat est généralement un film ou un papier flexible. Le revêtement liquide est ensuite séché ou durci à l’aide de méthodes telles que le séchage au four pour former une couche avec une fonctionnalité particulière, comme dans le cas du revêtement d’électrode de batterie lithium-ion. Actuellement, les principales méthodes de revêtement des électrodes de batterie lithium-ion sont le revêtement par transfert de rouleau de virgule et le revêtement par extrusion de matrice à fente.

01 Principe et classification de la machine d’enduction

Le principe de l’équipement de revêtement d’électrode implique le mélange uniforme des matériaux requis pour la formulation de l’électrode positive ou négative, suivi de l’application ou du laminage sur les faces avant et arrière d’une feuille d’aluminium ou de cuivre. Si nécessaire, un dispositif électromécanique intégré peut être utilisé pour répondre aux exigences techniques du client en évaporant le solvant de la boue par conduction énergétique.

Principe de revêtement par transfert inversé du grattoir Comma

En ajustant l’écart entre le rouleau d’enrobage et la lame virgule, la boue est dosée sur le rouleau d’enrobage. Ensuite, en ajustant l’espace entre le rouleau arrière et le rouleau d’enrobage, l’ensemble de la boue dosée sur le rouleau d’enrobage est transférée sur la feuille.

Principe de revêtement de la matrice de fente (comme indiqué sur l’image)

Il s’agit d’un dispositif de revêtement dosé de haute précision, qui applique uniformément des boues fluides newtoniennes ou non newtoniennes sur la surface d’un substrat à l’aide d’une pompe doseuse et d’une matrice à fente. La formule de calcul de l’épaisseur du revêtement est la suivante :

Épaisseur du revêtement = Débit de la pompe doseuse / (Largeur du revêtement * Vitesse du revêtement)

De plus, la matrice est un composant crucial de la méthode de revêtement de la matrice à fente et est l’un des facteurs clés déterminant la précision du revêtement. À mesure que les vitesses de revêtement augmentent, certains clients utilisent désormais des mécanismes de chambre à vide pour garantir la qualité du revêtement pendant les processus de revêtement à grande vitesse. En règle générale, lorsque la vitesse de revêtement est de ≥30 m/min, la structure de cette chambre à pression négative doit être prise en compte.

La conception de la matrice doit prendre en compte les facteurs suivants :

Calcul et simulation de la cavité du canal d’écoulement sur la base des paramètres rhéologiques de la boue.

Exigences relatives à la planéité et à la rectitude des lèvres supérieure et inférieure de la matrice.

Sélection du matériau de la matrice, de préférence en acier inoxydable.

Prévention de la génération de particules étrangères métalliques pendant l’utilisation. Si cela est inévitable, une protection appropriée doit être mise en place pour empêcher les particules étrangères de pénétrer dans la boue.

Facilité de démontage et de nettoyage.

Principe de la préparation des électrodes par voie sèche (comme indiqué sur le schéma) :

Principe de la préparation des électrodes par méthode sèche

La technologie de revêtement a le potentiel d’être une innovation perturbatrice, en particulier lorsqu’elle est associée à la technologie des batteries à l’état solide, pour répondre aux besoins des futures batteries au lithium avancées. Par exemple, la combinaison d’électrolytes à l’état solide de sulfure et de la technologie des électrodes à méthode sèche est très prometteuse. Les avantages de cette technologie sont les suivants :

Il peut répondre aux exigences environnementales strictes en Europe, ce qui rend le processus de production respectueux de l’environnement.

Il assure la sécurité pendant la production. Les boues traditionnelles de revêtement cathodique de batterie au lithium utilisent le NMP (N-Méthyl-2-pyrrolidone) comme solvant, qui présente de mauvaises caractéristiques de sécurité.

Le coût d’investissement de l’équipement est faible et nécessite un encombrement plus petit avec des exigences d’humidité ambiante réduites.

Il permet de produire des films d’électrodes plus épais, ce qui permet d’obtenir la même capacité d’énergie volumétrique tout en économisant des matériaux de feuille et de séparateur. Cela offre des avantages significatifs en termes de coût de nomenclature (BOM).

02 Composition de l’équipement et structure des clés

L’équipement se compose de cinq parties principales : l’unité de déroulement, l’unité d’enrobage (y compris le système d’alimentation), l’unité de séchage, l’unité de décharge et l’unité d’enroulement. La configuration de l’unité de la machine de revêtement est celle indiquée sur le schéma.

2.1 Unité de déroulement

Il existe deux méthodes de déroulement : l’épissage automatique et l’épissage manuel du ruban. L’unité manuelle d’épissure et de déroulement de la bande est illustrée sur la figure.

Le matériau à traiter est installé sur l’arbre de déroulement et est guidé dans la section de revêtement après avoir été aligné sur les bords et contrôlé la tension. Les principaux points de contrôle de l’appareil sont le déroulement, l’alignement des bords et le contrôle de la tension.

L’alignement des bords est réalisé par une unité de contrôle de position des bords (EPC) dédiée. Un capteur de position à ultrasons (capable de détecter les films transparents) surveille en permanence la position du bord du matériau. Le dispositif de déroulement est entraîné par un moteur pour se déplacer à gauche ou à droite, assurant une position relative constante entre le bord du matériau et le capteur d’alignement des bords.

Il existe trois modes d’alignement des bords : entièrement automatique, où le système engage automatiquement l’alignement des bords lors de la mise sous tension (en fonction de la rétroaction du capteur pour entraîner le moteur) ; semi-automatique, où le système engage l’alignement des bords pendant le fonctionnement automatique (revêtement et traction), et l’alignement manuel des bords pendant l’arrêt ; et le mode manuel, où le mécanisme d’alignement des bords ne peut être actionné que manuellement, quel que soit l’état du système.

Le contrôle de la tension se compose de deux parties : le contrôle de la position des rouleaux flottants et le contrôle de détection de la tension réelle. Le principe du contrôle de la position des rouleaux flottants est le suivant : pendant le fonctionnement automatique, le contrôleur PLC ajuste la vitesse du moteur de l’arbre de déroulement à l’aide d’un algorithme PID basé sur le signal de retour en temps réel (0% à 100%) du potentiomètre, dans le but de maintenir une position constante du rouleau flottant (la position par défaut est fixée à 50%).

2.2 Unité de revêtement et système d’alimentation et de soupape intermittente

(1) Unité de revêtement

L’unité de revêtement est illustrée sur la figure

Une fois que le matériau est introduit dans le rouleau d’enrobage à partir de l’unité de déroulement, il passe à travers le rouleau de pression d’alimentation pour l’isolation de la tension (séparant la tension entre le déroulement et la décharge), puis passe à travers le rouleau d’enrobage avant d’être guidé dans le four de séchage. Les principaux points de contrôle de cet appareil sont la stabilité de la vitesse globale de la machine et la valeur de l’écart entre la matrice et le rouleau de support.

Le déplacement entre la matrice et le rouleau porteur est entraîné par deux parties. Le mouvement à grande échelle est réalisé par des cylindres (vers l’avant et vers l’arrière), tandis que le positionnement précis est entraîné par des servomoteurs sur les côtés gauche et droit (déplacement réel détecté par des codeurs linéaires de haute précision avec une résolution de 0,1 μm).

(2) Système d’alimentation

Le système d’alimentation comprend un réservoir de stockage de matériaux, une pompe doseuse, un dissolvant de fer, un filtre et des tuyaux connectés. Dans un premier temps, le lisier est ajouté dans le réservoir de stockage. Une fois le revêtement commencé, la boue dans le réservoir de stockage est pompée à travers les tuyaux connectés, le décapant de fer et le filtre dans la matrice à fente pour le revêtement. Lorsque le capteur de niveau détecte que le lisier dans le réservoir de stockage atteint le niveau spécifié, l’alimentation du réservoir de stockage commence. Lorsque le lisier atteint le niveau désigné, le capteur de niveau envoie une commande pour arrêter l’alimentation du réservoir de stockage.

2.1 Unité de séchage

Le schéma du principe de séchage est illustré sur la figure

La boue contenant des composants solvants liquides, produite par l’unité d’enrobage, entre dans le four de séchage avec le film. Pour évaporer le solvant de manière sûre et efficace, il est nécessaire de contrôler la température, l’alimentation en air, le volume d’échappement et d’autres paramètres dans chaque section du four de séchage. Le système de contrôle de la température à section unique se compose d’éléments chauffants et de ventilateurs de circulation. Les ventilateurs sont entraînés par des moteurs à fréquence variable, et le volume et la vitesse de l’air peuvent être ajustés en réglant la fréquence (qui est directement proportionnelle à la fréquence). La température de chauffage est maintenue grâce à un contrôle constant basé sur les changements de température aux points de contrôle de la température détectés par des capteurs, garantissant ainsi la qualité du processus de séchage.

2.2 Unité de décharge

Après séchage, le film entre dans le dispositif de décharge. Le dispositif de décharge contrôle la tension et la position des bords du film dans le four de séchage. Les principaux points de contrôle de cet appareil sont l’alignement des bords et le contrôle de la tension dans la zone de séchage.

L’alignement des bords est similaire à celui de l’unité de déroulement, à l’aide d’un système de contrôle de la position des bords (EPC) dédié. Un capteur de détection de position des bords surveille en permanence la position du bord du film, et le dispositif de décharge ajuste sa position pour maintenir une position relative constante entre le bord du film et le capteur d’alignement des bords.

2.3 Unité de rembobinage

Il existe deux méthodes de remontage : le remontage automatique et le remontage manuel.

Une fois la production terminée, le film fini passe par l’alignement des bords et le contrôle de la tension avant d’être guidé sur l’arbre d’enroulement. Les principaux points de contrôle de cet appareil sont l’alignement des bords et le contrôle de la tension pendant le processus d’enroulement, qui sont similaires à l’unité de déroulement.

Pendant le processus d’enroulement, pour éviter le glissement entre les couches et éviter une étanchéité excessive ou une traction du noyau, il est nécessaire d’ajuster la tension d’enroulement conique.

03 Sélection de l’équipement

3.1 Principes de sélection de l’équipement

(1) La sécurité d’abord :

En raison de la présence de solvant organique NMP dans notre machine de revêtement, des exigences strictes en matière de protection contre les explosions doivent être respectées, conformément à la norme industrielle « Norme de conception pour les usines de batteries lithium-ion » (GB 51377-2019).

(2) Assurer la sécurité des batteries et prévenir la contamination par des métaux étrangers :

Au cours du processus de production des batteries lithium-ion, il est crucial d’éviter l’introduction de particules métalliques étrangères. Par conséquent, les composants qui entrent en contact avec la boue et les feuilles d’électrode ou qui se trouvent à proximité de celles-ci ne doivent pas être en cuivre, en zinc ou en étain.

(3) Sélection de l’équipement et des paramètres :

Actuellement, la méthode de revêtement de matrice de fente est principalement utilisée.

(4) Sélection de la matrice de revêtement :

(1) Étant donné que la boue de batterie est un fluide non newtonien, des tests de paramètres rhéologiques sont nécessaires. Des rhéomètres spécialisés sont généralement utilisés pour déterminer ces paramètres. La forme du canal d’écoulement de la matrice de revêtement doit être conçue en fonction des paramètres rhéologiques calculés et des résultats de simulation pour garantir la précision du revêtement.

(2) Il est recommandé d’installer la matrice de revêtement à un angle vers le haut de 25°. Cela permet une évacuation rapide de l’air des canalisations et des cavités après le nettoyage de la matrice et empêche l’utilisation d’un tuyau de retour de matrice comme substitut à la fonction d’évacuation d’air.

(3) Sélection de la pompe d’alimentation :

En règle générale, une pompe à vis doseuse de haute précision est utilisée. Les spécifications et le modèle de la pompe sont sélectionnés en fonction du débit requis. Pour améliorer la précision du pompage, une structure à double pompe est recommandée, ce qui réduit les pulsations et assure une grande précision.

(4) Sélection du four de séchage :

(1) Longueur totale et longueur de chaque section :

Tout d’abord, déterminez la longueur de chaque section du four de séchage. Il est recommandé que la longueur de chaque section ne soit pas inférieure à 4 m. Plus la vitesse de séchage est rapide, plus la longueur de la section doit être longue. Cependant, il faut tenir compte de la faisabilité du transport et de l’assemblage. Il est recommandé de ne pas dépasser 5 m de longueur maximale pour chaque section. La détermination de la longueur totale du four de séchage est basée sur le processus de séchage et les paramètres de vitesse de revêtement, qui sont généralement fournis par l’utilisateur. Le fabricant de l’équipement répond alors à ces exigences de processus.

(2) Plage de température pour le séchage dans le four :

La plage de température recommandée est de la température ambiante à 140°C. S’il existe des exigences de processus spécifiques, la personnalisation peut être envisagée. Généralement, la température maximale ne doit pas dépasser 160°C.

(3) Plage de vitesse de l’air de séchage dans le four :

Une plage de 5 à 20 m/s est recommandée, avec une précision de la buse inférieure à ±20 %.

(5) Transport du substrat dans le four de séchage :

(1) Pour les substrats en feuille de cuivre/aluminium d’une épaisseur supérieure à 6-10 μm, il est recommandé d’utiliser une combinaison de rouleaux de guidage actifs et d’un four de séchage flottant.

(2) Pour les substrats en feuille de cuivre/aluminium d’une épaisseur inférieure à 6-10 μm, en raison de la résistance à la traction réduite, il est recommandé d’utiliser des rouleaux de guidage actifs.

 Sélection du diamètre d’enroulement :

Étant donné que le diamètre de déroulement est adapté en fonction du diamètre du matériau entrant, je ne fournirai pas d’explication détaillée ici. Cependant, il existe des techniques pour sélectionner le diamètre de l’enroulement. Il est recommandé de déterminer la longueur du grand rouleau en fonction de la longueur cumulée des feuilles d’électrodes individuelles obtenues par refendage ou découpe, puis de le convertir en un diamètre d’enroulement. La formule de calcul est la suivante :

Dans la formule, D est le diamètre de la bobine ; D0 est le diamètre du cylindre inférieur ; T est l’épaisseur de la feuille d’électrode ; L est la longueur de la feuille d’électrode .

Ce n’est qu’ainsi que le taux d’utilisation des matériaux peut être augmenté, les déchets réduits et les coûts réduits. En raison de l’amélioration de l’automatisation, selon la formule, on peut voir que l’augmentation du diamètre du cylindre inférieur peut mieux augmenter la longueur de l’ensemble du rouleau de feuille d’électrode et en même temps réduire la pression de la feuille d’électrode inférieure. Améliorer la qualité de l’enroulement.

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