リチウム電池の注入プロセス – Taipu Technology

リチウム電池の電解質の役割は、正極と負極の間のイオンの伝導を促進することであり、人体の血液のように、充電と放電の媒体として機能します。電解質がリチウム電池の内部に完全かつ均一に浸透するようにすることは、重要な課題です。したがって、...

リチウム電池の注入プロセス

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リチウム電池の電解質の役割は、正極と負極の間のイオンの伝導を促進することであり、人体の血液のように、充電と放電の媒体として機能します。電解質がリチウム電池の内部に完全かつ均一に浸透するようにすることは、重要な課題です。したがって、注入プロセスは、バッテリーの性能に直接影響する重要なステップです。

注入プロセスでは、組み立て後に電解液をバッテリーセルに定量的に注入します。このプロセスは、1つ目のステップとしてセル内部に電解液を注入すること、2つ目のステップでは、注入された電解質がセル内の電極シートとセパレーターに完全に浸透することを確認できます。浸漬プロセスの期間は、リチウムイオン電池の製造コストに影響を与える可能性があります。この過程で電解液を過剰に注入すると、セルが膨らみ、バッテリーの厚さが不均一になる可能性があります。不十分電解質注入バッテリー容量とサイクル寿命の減少につながる可能性があります。電解質の注入が不均一になると、バッテリー容量とサイクリング性能が不安定になる可能性があります。

図1 真空圧インジェクションの概略図

図1に示すように、商用電池の組み立て工程では、電解液は計量ポンプを介して密閉されたチャンバーに注入されます。バッテリーを注入チャンバーに入れ、真空ポンプでバッテリー内部に真空環境を作り出します。注入ノズルをバッテリーの注入口に挿入し、電解質注入バルブを開き、同時に窒素ガスを使用して電解質チャンバーを0.2〜1.0MPaに加圧します。圧力は一定時間維持され、その後、注入チャンバーは大気圧にベントされます。最後に、バッテリーを長時間(12〜36時間)放置し、電解液が正負の材料とセパレーターに完全に浸潤できるようにします。注入が完了すると、バッテリーは密閉されます。電解液は、理論的にはバッテリーの上部からセパレーターと電極に浸透することが期待されます。しかし、実際には、図2に示すように、大量の電解液が下方に流れてバッテリーの底に蓄積し、毛細管圧を介してセパレーターと電極の細孔に浸透します。

通常、セパレーターは比較的高い多孔質親水性材料でできていますが、電極はさまざまな粒子からなる多孔質媒体で構成されています。一般に、電解液は電極に比べて速い速度でセパレーターに浸透すると考えられています。したがって、電解液の流動プロセスは、図2に示すように、最初にセパレーターを貫通し、次に電極に浸透する必要があります。

図2 セルへの電解質浸潤の概略図

電極内の活物質の大きな粒子の間には、より大きな細孔が形成され、これらの細孔は2つの平行な粒子間の狭いチャネルを介して相互接続されています。電解質は最初にこれらの細孔内に集まり、次に近くの喉に拡散します。したがって、電解質の濡れ速度は、主に相互接続された細孔を接続するスロートと細孔容積によって制御されます。図3に示すように、α孔は4つの粒子で構成され、4つのスロートを介して周囲の細孔と相互接続されていますが、β孔は3つの粒子で構成されており、3つのスロートを介して周囲の孔と相互接続されています。

図3 電極内部の細孔構造の模式図

図4に示すように、電極細孔内の電解液の拡散機構は、電解液の流れからの圧力(Fl)、表面張力によって発生する毛細管現象の力(Fs)、細孔内に閉じ込められた空気からの抵抗(Fg)の3つの力の相互作用と考えることができます。注入プロセスでは、バッテリー内に真空を作り出すことで、閉じ込められた空気による抵抗を減らし、電解液を加圧することで液体の流れの駆動力を高めます。したがって、真空注入と圧力注入の組み合わせは、電解質の浸透に有益です。

図4 細孔内の電解質拡散ダイナミクスの模式図

電解質の毛細管運動は、ウォッシュバーン方程式で表すことができます。

変数「h」は時間における液体の浸透高さを表し、「t」は毛細管の半径、「γlv」は液体-気体表面張力、「θ」は接触角、「Δρ」は密度差、「η」は粘度を表します。このことから、電解液の粘度、電極の濡れ接触角、表面張力特性など、すべてが浸潤プロセスに影響を与えていることがわかります。

電解質の浸透とは、電極の細孔内の空気を置換するプロセスを指します。多孔質構造内の細孔のサイズと形状がランダムに分布しているため、電解質の浸透速度が異なる可能性があり、集電体の近くに空気が蓄積し、周囲からの電解質に囲まれ、電極内に閉じ込められます。電解質浸潤の飽和レベルは常に1未満です。ほとんどすべての大きな空隙は電解質で満たされていますが、それでも多数の小さな空隙が存在します。これらの小さな空隙は、固体粒子によって閉じ込められた残留空気を表します。したがって、浸透レベルを向上させるための鍵は、そのような残留空気をできるだけ最小限にすることです。

要約すると、注入プロセスはリチウムイオン電池の性能に直接影響します。注入装置を使用して所定の量の電解液をバッテリーセルに正確に注入することにより、不均一な注入の技術的課題に効果的に対処できます。したがって、注入装置は、注入プロセス中に適切な注入効果を達成するための重要な要素と見なすことができます。

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