リチウムイオン二次電池の実用化における重要なプロセスの1つに液体電解質の使用があり、注入プロセスが不可欠です。インジェクションプロセスとは、バッテリーセルの内部に電解液を注入し、注入装置を使用して封止する手順を指します。
01.インジェクション装置の概要
1.1 インジェクション機器の重要性
リチウムイオン二次電池の製造工程では、正極と負極の間のイオンの伝導を促進することが電解液の役割です。これは、肺の血液が酸素と二酸化炭素の交換を促進するのと同様に、リチウムイオンの輸送媒体として機能します。これは、バッテリーシステム全体における電解質の重要性を浮き彫りにしています。
通常、一般的なリチウムイオン電池の電解質は、無機リチウム塩電解質、有機炭酸塩溶媒、および添加剤で構成されています。リチウムイオンの移動と電荷移動の媒体として、電解質はリチウムイオン電池の不可欠で重要なコンポーネントです。これは、高電圧、高エネルギー密度、高サイクル性能などの利点を達成するためのバッテリーの基盤を形成します。
バッテリー注入を評価するための最も重要なパラメータは、注入量、濡れ効果(徹底的かつ均一)、および注入精度です。これら3つの側面は、注入装置の性能によって達成されます。したがって、射出装置は、電池の性能に直接影響を与えるため、リチウムイオン電池の製造プロセスにおいて重要です。機器の主なパラメータは次のとおりです。
(1)注入量:バッテリーの設計要件を満たし、指定された量の電解液がバッテリーに完全に注入されるようにすることを検討する必要があります。各バッテリーセル内の電解液量が要件を満たしていることを確認するために、注入量を正確に制御する必要があります。
(2)濡れ効果:濡れ効果とは、電解液がバッテリー電極の内部に均一に浸透し、電極が最適な電気化学的性能を発揮できるようにすることを指します。濡れが不完全な場合、バッテリーの性能の一貫性に悪影響を与える可能性があります。最短時間で最高の湿潤効果を達成することは、射出装置のプロセス能力の重要な側面です。
(3)注入精度:注入精度は、バッテリー内の電解質量の一貫性を反映しており、バッテリーの性能の一貫性に影響を与えます。また、インジェクション機器の性能と能力も反映しています。
要件を満たすために前述の3つのポイントを満たすことに加えて、射出装置は、最小限の射出サイクル、最小限のスペース要件、最小限の手動介入、および最小限のコストで、可能な限り最速で望ましい結果を達成するために、最適な射出プロセスを採用することを検討する必要があります。
1.2 インジェクション装置の原理
注入装置の原理は、特定のプロセス(真空、圧力、時間など)を使用して、バッテリーの限られた内部空洞(セルと未充填スペースを含む)に電解液を注入することです。電解液の一部はバッテリーセル(正極シートと負極シート、およびセパレーターで構成)に浸透し、別の部分は未充填のスペースを占めます。注入される電解液の総量は、注入量と呼ばれます。濡れ効果が優れているほど、より多くの電解液がバッテリーセルに浸透します。電解液がバッテリーセルに浸透するのにかかる時間が短いほど、注入装置のプロセス能力が向上します。
実際の噴射量と特定のバッテリーの設定噴射量との偏差が噴射精度を表します。バッテリーのバッチの場合、注入量の一貫性が高く、注入量が集中するほど、注入重量のCPK値が高いほど、注入装置の全体的な性能が向上します。
1.3 インジェクション機器の種類
1.バッテリーの種類に基づく
(1)パウチ注入装置。
(2)円筒形電池噴射装置および角型電池噴射装置を含むハードシェル噴射装置。
2.構造タイプに基づく
(1)往復構造を含む直線状噴射装置。
(2)ロータリーインジェクション装置。
インジェクションプロセスに基づく
(1)真空注入装置、これは一般的に真空および大気圧の呼吸浸透方法を指します。
(2)低圧注入装置は、通常、加圧中に0.3MPa未満の圧力を使用し、真空と圧力を交互に繰り返して循環浸透させます。
(3)高圧注入装置は、一般的に加圧中に0.5〜0.8MPaの圧力を含み、真空と圧力を交互に繰り返し注入します。高圧はより良い注入と濡れ効果を可能にし、それが注入装置の現在の開発方向となっています。現在、円筒形電池と角型アルミニウムシェル電池(静水圧のサポート付き)のかなりの部分が高圧注入を使用しています。しかし、高圧注入はパウチ型電池には広く採用されていません。
(4)超高圧注入装置:現在、市場には明確に大量生産された超高圧注入装置はありません。将来的には、静圧の高い射出装置が登場するかもしれません。 1〜2MPaの加圧で動作する射出装置は、超高圧射出装置と呼ぶことができます。将来的には、エネルギー密度の高い電池では、超高圧注入装置を活用する可能性があり、これにより注入後のセトリング時間を短縮できる可能性があります。
4)加圧方式による
(1)差圧注入装置:これは一般に、加圧および静的沈降中にバッテリーの内部キャビティにのみ正圧を加えることを指します。バッテリーの内部キャビティと外部シェルとの間には圧力差があるため、「差圧」注入または差圧沈降という用語があります。角型ハードシェル電池の場合、防爆膜の存在と角型シェルの変形傾向により、差圧注入装置は通常低圧タイプであることに注意してください。スチールシェル18650/26650バッテリーなどの円筒形バッテリーの場合、差圧注入装置は低圧または高圧のいずれかです。下図は、高圧真空サイクルインジェクションの原理を示しています。

(2)静水圧注入装置とは、一般に、加圧および静電沈降中にバッテリーの内部キャビティと外部シェルの両方に等しい正圧を加えることを指します。バッテリーの内部キャビティと外部シェルとの間には圧力差がほとんどまたはまったくないため、「静水圧」注入または静水圧沈降という用語が付けられます。論理的な関係性としては、高圧が目標であり、静水圧が高圧を達成するための手段です。圧力がなければ、静水圧は意味がありません。静水圧注入装置により、角型アルミニウムシェルバッテリーは高圧注入を実現できます。パウチバッテリーは、高圧静水圧注入も利用できます。この図は、大気圧-真空サイクル注入の概略図を示しています。

1.4 射出成形機の機能
(1)角型アルミニウムシェルパワーバッテリー用のシングルインジェクションマシンには、次の機能が含まれています。
a. 材料ローディング:手動操作またはロボットアームによる自動操作。
b. コード読み取り:バーコードまたはQRコード。
c. 事前計量:バーコードを重量で綴じ、データをMESシステムに記録されます。
d. トレイの配置:バッテリーをトレイにセットし、トレイを配置します。
リークテスト:インジェクションノズルのシールを確認します。
インジェクション:インジェクションポンプを使用します。
g. セトリング、真空、および圧力サイクルモード:高圧モード、低圧モード、および静水圧モード。
h.トレイからのアンロード:トレイからバッテリーを取り外します。
i. 計量後:バーコードを重量で紐付け、MESシステムに記録されたデータ。
j.シーリング注入穴:挿入プロセス中に接着ピンを挿入します。
k. 材料の排出。
(2)角型アルミニウムシェルパワーバッテリー用の二次射出成形機には、次の機能が含まれています。
a. 材料ローディング:手動操作またはロボットアームによる自動操作。
b. コード読み取り:バーコードまたはQRコード。
c. 事前計量:バーコードを重量で紐付け、データをMESシステムに記録されて二次注入(可変注入)の量を計算します。
d. トレイの配置:バッテリーをトレイにセットし、トレイを配置します。
リークテスト:インジェクションノズルのシールを確認します。
f. インジェクション:可変インジェクションポンプを使用して可変インジェクションを実行します。
g. セトリング、真空、および圧力サイクルモード:高圧モード、低圧モード、および静水圧モード。
h.トレイからのアンロード:トレイからバッテリーを取り外します。
i. 計量後:バーコードを重量で紐付け、MESシステムに記録されたデータ。
真空抽出とヘリウムの埋め戻し:シーリング接着剤ピンを使用して、負圧抽出とヘリウムによる埋め戻し。
k.シーリング注入穴:挿入プロセス中に接着ピンを挿入します。
l. 材料の排出。
(3)円筒形18650/21700/26650バッテリー用の射出成形機(キャップを密封する前に液体を注入する)には、通常、次の機能が含まれています。
a. マテリアルローディング:通常、自動ローディング方式です。
b. 事前計量:バーコードを重量で紐付け、データをMESシステムに記録されて二次注入(可変注入)の量を計算します。
トレイの配置:バッテリーをトレイに置き、トレイを配置します。
リークテスト:インジェクションノズルのシールを確認します。
インジェクション:インジェクションポンプを使用します。
f. セトリング、バキューム、および圧力サイクルモード:高圧モード、低圧モード、および静水圧モード。
g.トレイからのアンロード:トレイからバッテリーを取り外します。
h.計量後:NG(非適合)ユニットが排出されます。
i. 材料の排出。
(4)円筒形18650/21700/26650バッテリー用の射出成形機(液体を注入する前にキャップをシールする)には、通常、次の機能が含まれています。
a. マテリアルローディング:通常、自動ローディング方式です。
b. キャップの向き: キャップの正しい向きを決定します。
c. 事前計量:バーコードを重量で紐付け、データをMESシステムに記録されて二次注入(可変注入)の量を計算します。
d. トレイの配置:バッテリーをトレイにセットし、トレイを配置します。
e.シーケンシャルインジェクション:インジェクションポンプを使用し、通常は5〜6段階のインジェクションで行います。
シーケンシャルセトリング、真空、および圧力サイクルモード:高圧モード、低圧モード、および真空モード。
g.トレイからのアンロード:トレイからバッテリーを取り外します。
h.計量後:NG(非適合)ユニットが排出されます。
キャップの向きとタブの折りたたみ:キャップの正しい向きを決定し、タブを折ります。
j.キャップを平らにする:キャップを平らにします。
k. 材料の排出。
(5)ポーチバッテリー用の射出成形機には、通常、次の機能が含まれています。
a. 材料ローディング:手動操作またはロボットアームによる自動操作。
b. コード読み取り:バーコードまたはQRコード。
c. 事前計量:バーコードを重量で綴じ、データをMESシステムに記録されます。
d. トレイの配置:バッテリーをトレイにセットし、トレイを配置します。
リークテスト:インジェクションノズルのシールを確認します。
インジェクション:インジェクションポンプを使用します。
g. セトリング: 通常、真空と大気圧のセトリングサイクルが含まれます。
h.トレイからのアンロード:トレイからバッテリーを取り外します。
i. 計量後:バーコードを重量で紐付け、MESシステムに記録されたデータ。
j.シーリングインジェクションホール:ヒートシール方法を使用します。
k. 材料の排出。
(6)大型円筒形アルミニウムシェルバッテリー用のシングルパス射出成形機には、通常、次の機能が含まれています。
a. 材料ローディング:手動操作またはロボットアームによる自動操作。
b. コード読み取り:バーコードまたはQRコード。
c. 事前計量:バーコードを重量で綴じ、データをMESシステムに記録されます。
d. 注入穴の回転アライメント: 通常、CCD 認識によって達成されます。
e. トレイの配置: バッテリーをトレイにセットし、トレイを配置します。
f. リークテスト:インジェクションノズルのシールを確認します。
g. インジェクション:インジェクションポンプを使用します。
セトリング、真空、および圧力サイクルモード:高圧モード、静水圧モード。
トレイからのアンロード:トレイからバッテリーを取り外します。
j. 計量後:バーコードを重量で綴じ、データをMESシステムに記録されます。
k.シーリング注入穴:挿入プロセス中に接着ピンを挿入します。
l. 材料の排出。
1.5 パフォーマンス指標
1.インジェクション効率
(1)円筒形バッテリー注入機の効率:
ある。18650/21700/26650バッテリーの効率(液体を注入する前にキャップを密閉する):利用可能なオプションには、80PPM、120PPM、200PPM、および300PPMが含まれます。
b.18650/21700/26650バッテリーの効率(キャップを密封する前に液体を注入):利用可能なオプションには、80PPMと120PPMが含まれます。
大型円筒形アルミニウムシェルバッテリー(外径32-50mm、高さ80-273mm)の効率:現在50PPMと72PPMで生産されており、将来のオプションは100PPM以上に達する可能性があります。
大型円筒形鋼シェルバッテリー(外径32-26mm、高さ80-160mm)の効率:現在60PPMおよび120PPMで生産されており、将来のオプションは200PPM以上に達する可能性があります。オープンスチールシェル構造の46800バッテリーの場合、生産ラインの効率は80PPM、120PPM、160PPM、および200PPMの範囲で段階的に考慮できます。
(2)アルミシェル付きパワーバッテリー用バッテリーインジェクションマシンの効率:
ある。26148バッテリーの効率:通常、12〜24PPMの範囲にあり、将来のオプションは24〜60PPMの範囲になる可能性があります。
b.50160バッテリーの効率:通常、12〜24PPMの範囲にあり、将来のオプションは24〜60PPMの範囲になる可能性があります。
c. 33230バッテリーの効率:通常は12〜24PPMの範囲で、将来のオプションは24〜48PPMの範囲で発生する可能性があります。
(3)パウチパワーバッテリー用射出成形機の効率:
ポーチパワーバッテリーの効率:通常、6〜24PPMの範囲です。
(4)パウチ3Cバッテリー用射出成形機:
ポーチ3Cバッテリーの効率:通常、小さなポーチの場合は12〜24PPMの範囲です。
1.インジェクション精度
ある。パウチ電池の注入精度:通常、約0.5%。
b.18650バッテリーの注入精度:計量システム自体の偏差を考慮すると、通常は約±0.1gで、計量ソフトウェアの設定偏差は通常約±0.15gです。
c. 26650バッテリーの注入精度:計量システム自体の偏差を考慮すると、通常は約±0.12g、計量ソフトウェアの設定偏差は通常約±0.18gです。
d. 大型円筒形アルミニウムシェル 32130 バッテリーの射出精度 (初回射出): 通常、約 ±1g です。
e.大型円筒形アルミニウムシェル32130バッテリーのインジェクション精度(二次インジェクション):通常、約±1g。
f.プリズムパワーバッテリーのインジェクション精度(最初のインジェクション):通常、約0.5%から1%。
g.プリズムパワーバッテリーのインジェクション精度(セカンダリインジェクション):通常、約0.5%から1%。
02 設備構成と主要構造
2.1 アウターケーシング
(1)グローブボックスタイプ:一般的に実験室または小規模生産でのみ使用されます。除湿機を内蔵したり、乾燥ガス源に接続して内部の水分量を制御したりすることができます。1 つのワークステーション グローブボックスを下図に示します。

(2)一定のシール機能を備えた板金ケーシング。乾燥ガス源に接続されており、乾燥室内または移行室のある通常の部屋で使用できます。シートメタルケースの構造を下図に示します。

(3)アルミ合金フレームケーシング。乾燥した室内で使用され、湿気に対する一定のバリアを提供し、機器と人員の両方の安全性を確保します。アルミ合金製フレームケーシングの構造を下図に示します。

2.2 真空ポンプ
(1)一般的に、スクリューポンプが一般的に使用されます。
(2)真空ポンプを射出成形機の隣に配置することで、高い真空利用効率と省エネを実現します。
(3)真空ポンプを遠くに配置すると、接続するためのパイプラインが必要になります。この場合、パイプラインによる真空の損失を考慮する必要があります。パイプラインが長くて狭いほど、真空流量と真空レベルの損失が大きくなります。
2.3 インジェクションポンプ
(1)現在、電動ポンプは、2010年より前に一般的に使用されていたHibarインジェクションポンプの代わりに、セラミックポンプヘッドで一般的に使用されています。
(2)電動ポンプには、手動式とインテリジェント式の可変タイプがあり、後者はしばしば可変ポンプと呼ばれます。
(3)電解液注入用の電動ポンプの精度は、一般的に約0.25%です。
(4)インジェクションポンプを使用する際には、実際の生産中にポンプが詰まらないようにすることが重要です。
2.4 電解質移送タンク
(1)電解液移送タンクの主な目的は、大気圧で電解液を(注入カップに)供給し、微小な範囲内で一定レベルを維持することです。
(2)移送槽内の電解液は、保護ガスとして窒素ガスが存在するため、0.2MPa程度まで加圧されていますが、使用中は圧力が低下します。
(3)必要に応じて、電解液移送タンクに2層構造または2重タンク構造を使用することができます。これにより、上部タンクの脱気が可能になり、注入量の一貫性と精度が向上します。
(4)必要に応じて電解液のろ過を行うことができます。
(5)必要に応じて、差圧トランスミッターを設置してフィルターを監視することができます。
2.5 バーコードスキャンシステム
(1)バーコードスキャナーは、バーコードまたはQRコードを識別して読み取るために使用されます。
(2)スキャンされた情報は、重量データとバインドされ、MESシステム内にデータベースを形成します。
2.6 計量システム
(1)ロボットアーム、ロボットグリッパー、電子スケールなどの部品が含まれます。
(2)電子スケールは通常、スペースを節約するために別々の計量センサーとアンプで構成されています。
(3)計量センサーの耐食性性能を考慮する必要があります。
2.7 MESシステム
(1)MESシステムには、主にバッテリーのバーコード、事前計量、事後計量、および認定のための注入量の偏差のチェックが含まれます。
(2)MESシステムにより、1回目と2回目の注入の接続、および工場全体の相互接続が可能になります。
2.8 リークテストシステム
(1)シーリングノズルとバッテリーのシーリングを確認する必要がある場合があります。シールに欠陥のあるバッテリーは注入されません。
(2)リーク検出には真空または圧力保持方式が使用されます。
2.9 液体供給システム
(1)インジェクションポンプ、バルブ、パイプラインが含まれます。
(2)一部のシステムには、効率を向上させるために一時的な収納カップが装備されています。
(3)一部のシステムでは、可動式インジェクションニードル方式を使用して、より少ないポンプで複数のカップに液体を注入します。
2.10 フィクスチャ/パレット
(1)バッテリーの位置決めに使用される固定具またはパレットは、さまざまなバッテリー構造と効率要件に基づいて設計されています。
(2)固定位置の固定具と可動式のパレットがあります。
2.11 セトリングメカニズム
(1)セトリングメカニズムには、インジェクションカップ、シーリングノズル、バッテリートレイ、圧縮メカニズム、圧力真空バルブ、パイプラインシステムなどが含まれます。
(2)セトリング方法にはいくつかの種類があります。
·フレキシブルパウチ電池は、一般的に真空-大気圧周期沈降法を使用します。
·ハードシェルバッテリーは、一般に、真空-大気圧-正圧-大気圧の周期的沈降法を使用します。
·圧力セトリングは、高圧セトリングと低圧セトリングに分類できます。高圧セトリングとは0.5MPaを超える圧力を指し、低圧セトリングとは0.3MPa未満の圧力を指します。角型電池、特に防爆膜を備えた電池の場合、高圧整定を使用する場合、等圧整定法が必要です。
·ドーム型のセトリング機構を図に示します。トレイローダーのセトリングユニットを図に示します。


2.12 材料コンベヤーベルト
材料コンベアベルトは、後工程でバッテリーを射出成形機に出し入れするための自動接続機構です。
03 装置選定と適用例
3.1 セトリング方法の選択
(1)主流の射出成形機の現状を考慮すると、機器の選択には、主に真空セトリング、低圧セトリング、高圧セトリングなど、さまざまなセトリング方法を選択することが含まれます。
(2)パウチセル射出成形機の場合、現在の慣行は主に真空沈降サイクリック法に基づいています。将来的には、高圧等圧沈降法を採用する可能性もあるかもしれません。一方では、より優れた含浸効果を提供できるだけでなく、他方では、その後の滞留時間を節約することができると推測されています。
(3)角型アルミニウムシェルパワーバッテリーの機器選択に関する参考事項:
ある。10分以内の注入セトリング時間の場合:低圧セトリング(差圧法)を選択することをお勧めします。
b.10分を超える注射整定時間の場合:高圧等圧整定を選択することをお勧めします。
効率が20PPMを超え、セトリング時間が10分を超える場合:高圧セトリングを選択することを強くお勧めします。
(4)円筒形鋼殻電池(18650、21700、26650、32650、32130、46800)の場合:
ある。18650 の 60 PPM、32650、46800 の 30 PPM など、効率の低いバッテリーの場合、差圧方式による高圧注入を選択できます。
b.18650 の 120 PPM または 200 PPM、32650 の 60 PPM 以上、および将来の 46800 シリーズなど、効率の高いバッテリーの場合は、高圧等圧射出を使用することを強くお勧めします。
c. スチールシェルの32130シリーズでは、バッテリーの高さが高く、電解液の含浸がより困難であるため、高圧等圧インジェクションを使用することを強くお勧めします。
(5)円筒形アルミニウムシェル32130シリーズバッテリー:
ある。効率の低いバッテリーや二次噴射用のバッテリーには、差圧方式を選択できます。
b.効率が30 PPMを超える生産ラインなどの高効率生産ラインでは、このバッテリーの注入が特に簡単で、含浸時間が非常に短い場合を除き、高圧等圧射出を使用することを強くお勧めします。
3.2 構造モードの選択
(1)射出成形機の構造には、一般に、ロータリーモード、リニアモード、およびジグザグモード(リニアモードの一種)が含まれ、それぞれにいくつかの違いがあります。
(2)線形モードは、さらに並列モードと直列モードに分けられます。パラレルモードでは、すべてのセトリング時間は同じセトリングステーションで完了しますが、シリーズモードでは、トレイバッテリーがすべてのセトリングステーションを通過して、セトリング時間全体を完了します。並列モードは、直列モードに比べて時間利用効率が高くなります。
(3)ロータリーモードとパラレルリニアモードは基本的に同じですが、ジグザグモードは一般的に直列モードです。直列線形モードとジグザグモードの原理は基本的に同じです。
(4)モードに関係なく、バッテリーの流れ、バッテリートレイの流れ、およびそれらの使用の循環が鍵となります。
(5)大型の射出装置は、ロータリーモードとリニアモードの組み合わせであってもよい。
(6)パウチセル射出成形機の場合、ロータリーモードまたはリニアモードが一般的に使用されます。
(7)ドーム型の高圧等圧射出成形機は、通常、平行線形射出成形機です。
04 機器の使用とメンテナンス
(1)射出成形機の最大の特徴は、他の自動化機器と比較して、電解液が腐食性であり、使用時やメンテナンス時に特別な注意が必要なことです。
(2)ナイロン(PA66)、デルリン(POM)、PUチューブ、アクリルシート(プレキシガラス)は電解液の腐食に耐性がないため、使用は避けてください。
(3)電解液が結晶化しやすい。長期間シャットダウンする前に、注入ポンプ、特にセラミックポンプヘッドを分解して洗浄し、結晶化がポンプを詰まらせるのを防ぐ必要があります。
(4)電解液の近く、特に電解液の下に電気回路を置かないでください。
(5)ガイドレールとスライダーは、電解液による腐食から保護する必要があります。
(6)可能であれば、生産停止中に乾燥空気の供給を遮断しないでください。