O teor de água tem um impacto significativo no desempenho da bateria e deve ser rigorosamente controlado durante o processo de fabricação. A presença de água nas baterias pode causar degradação do eletrólito ou reagir com o eletrólito para produzir gases nocivos, levando ao aumento da pressão e deformação dentro da bateria. O teor excessivo de água nas baterias também pode resultar em alta resistência interna, alta autodescarga, baixa capacidade, baixo desempenho de ciclo e até vazamento, degradando muito o desempenho da bateria. Portanto, um processo de secagem é essencial na produção de baterias de lítio.
01 Introdução à secagem
A secagem é uma operação de unidade química que envolve o fornecimento de energia a materiais úmidos para vaporizar e remover a umidade contida, resultando na produção de materiais secos. Atualmente, existem inúmeras opções de equipamentos de secagem na indústria, e eles podem ser classificados usando diferentes métodos. Com base no modo de operação, o equipamento de secagem pode ser categorizado como equipamento de secagem contínua e equipamento de secagem em lote (intermitente). De acordo com a pressão de operação, pode ser classificado como equipamento de secagem atmosférica e equipamento de secagem a vácuo. Além disso, com base no método de transferência de calor, o equipamento de secagem pode ser classificado em equipamento de secagem por condução, equipamento de secagem por convecção, equipamento de secagem por radiação e equipamento de secagem dielétrica, entre outros.
O teor de água nas baterias se origina principalmente da umidade presente nas matérias-primas da bateria, incluindo as folhas de eletrodos positivos e negativos, separador, eletrólito e outros componentes metálicos, bem como da umidade no ambiente da fábrica. Para lidar com a umidade ambiental, uma sala seca pode ser estabelecida, onde uma máquina de secagem gera ar seco que é continuamente fornecido à sala seca, deslocando o ar úmido e eliminando a umidade ambiental. Para umidade interna na bateria, devido aos altos padrões de secagem exigidos, normalmente exigindo um teor de umidade entre (100-300)×10-6, o equipamento de secagem a vácuo é geralmente empregado para remover a água. Após a secagem, as baterias são testadas para garantir que atendam aos requisitos de cozimento. Várias etapas do processo na produção de baterias requerem secagem a vácuo, como para pós de eletrodos de bateria, enrolamento de eletrodo positivo e negativo e montagem da célula antes da injeção de eletrólitos. Portanto, o equipamento de secagem a vácuo é crucial para a fabricação de baterias.
02 Princípio da secagem a vácuo
O princípio da secagem a vácuo baseia-se no fato de que o ponto de ebulição da água muda sob diferentes ambientes de pressão. A relação entre pressão e ponto de ebulição é representada na Figura.
Pode-se ver pela figura que sob pressão normal, ou seja, uma pressão atmosférica, o ponto de ebulição da água é de 100°C, mas à medida que a pressão do ar diminui, o ponto de ebulição da água continua a diminuir. Em um ambiente de vácuo de cerca de 100Pa, o ponto de ebulição da água caiu para cerca de -20°C. Este é o princípio básico de que um ambiente de vácuo pode promover o processo de secagem.
Portanto, a secagem a vácuo é o processo de remoção da umidade contida nos materiais sob condições ambientais abaixo de uma pressão atmosférica padrão. O princípio cinético básico da secagem a vácuo é a teoria da transferência de calor e massa. Durante o processo de secagem a vácuo, o sistema de vácuo aquece continuamente o material a ser seco durante a evacuação, de modo que a umidade dentro do material se difunda para a superfície através da diferença de pressão ou diferença de concentração. As moléculas de água obtêm energia cinética suficiente na superfície do material para superar a atração mútua entre as moléculas. Voe para o espaço de baixa pressão da câmara de vácuo e seja sugado pela bomba de vácuo.
A taxa de perda de umidade durante o processo de secagem a vácuo e a massa de umidade vaporizada e descarregada do material seco por unidade de área de secagem por unidade de tempo são a velocidade de secagem, ou seja,
Na fórmula, v velocidade de secagem, g/(m2·h); m massa de umidade descarregada, g; Uma área de secagem, m2; t tempo de secagem, h.
Na secagem de baterias, geralmente é dada mais atenção ao teor de umidade do que à qualidade da umidade. Além disso, o teor de umidade na bateria é extremamente pequeno e a qualidade da umidade evaporada é difícil de medir. Considerando que a mudança no teor de umidade é usada para substituir a mudança na massa de umidade por unidade de área, a fórmula acima pode ser transformada em:
Na fórmula, v velocidade de secagem, mg/(kg·h); m massa de umidade descarregada, mg; M massa total do material, kg; C teor de umidade, mg/kg; t tempo de secagem, h.
Uma curva de velocidade de secagem a vácuo típica é mostrada na figura. O processo de perda de água é dividido em três etapas: etapa de secagem acelerada, etapa de secagem de velocidade constante e etapa de secagem desacelerada. A seção AB é o estágio de secagem acelerada. Neste momento, o teor de umidade no material é constante. Devido à aspiração e aquecimento, o material é aquecido até a temperatura de vaporização sob a pressão correspondente dentro da faixa de temperatura permitida e vaporiza em grandes quantidades, e a velocidade de secagem continua a aumentar. Devido à limitação das características de transferência de calor e massa, a velocidade de secagem atinge o valor máximo e entra na seção BC, que é o estágio de secagem de velocidade constante. Neste momento, a temperatura do material permanece inalterada, o calor de aquecimento é usado como o calor latente de vaporização e várias perdas de calor, e o vapor de vaporização é continuamente descarregado. A diferença de pressão entre a superfície de evaporação e o espaço é mantida, permitindo que a secagem continue. Quando o teor de umidade do material é reduzido a um determinado nível, a umidade evaporada é reduzida e a diferença de pressão entre a superfície de evaporação e o espaço é reduzida. Ele entra na seção CD, que é o estágio de secagem por desaceleração, e a velocidade de secagem diminui gradualmente e se aproxima de zero.
Existem muitos fatores que afetam a velocidade de secagem durante o processo de secagem a vácuo. Em primeiro lugar, a forma, o tamanho e o método de empilhamento do material a ser seco, bem como o teor de umidade, densidade e outras propriedades físicas do próprio material afetarão a velocidade de secagem. Em segundo lugar, o grau de vácuo de trabalho do equipamento de secagem afetará a velocidade de secagem. Se o grau de vácuo for alto, a umidade pode ser vaporizada a uma temperatura mais baixa. No entanto, o alto grau de vácuo não é propício à condução de calor e reduzirá o efeito de aquecimento. Finalmente, a forma estrutural, o método de aquecimento e o processo de secagem do equipamento de secagem afetarão a velocidade de secagem. Portanto, é muito difícil calcular o tempo de secagem e a velocidade de secagem.
Atualmente, é difícil medir as mudanças de umidade durante a secagem da bateria, portanto, não há muitos estudos experimentais nessa área. No entanto, estudar o mecanismo de evaporação da água em baterias tem um importante significado orientador para o processo de secagem da bateria. Guan Yuming et al. usaram software de simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para analisar a taxa de evaporação da água no núcleo da bateria. Eles concluíram a análise de simulação carregando a função de difusão de umidade do núcleo da bateria compilada pela lei de Fick e descobriram que a taxa de evaporação da água na superfície do núcleo da bateria era O tempo de cozimento mais rápido é de cerca de 10 minutos, enquanto a taxa de evaporação da água na parte inferior do núcleo da bateria é muito baixa no início, e o tempo mais rápido é de cerca de 50 minutos, conforme mostrado na Figura .
03 Processo de secagem a vácuo a bateria
No processo de produção de baterias de lítio, são necessárias várias etapas básicas, como mistura de pasta, revestimento, laminação, corte, enrolamento/laminação, soldagem, vedação, injeção de líquido, formação, divisão de volume e montagem. Para controlar o teor de umidade do produto final, os pontos de controle de umidade devem ser definidos em diferentes nós-chave do processo de produção. Os projetos típicos incluem controle de umidade de materiais em pó catódico, controle de umidade de rolos de pólo/folhas de pólo e, o mais importante, controle de umidade antes da injeção da bateria.
No processo de produção de baterias de íons de lítio, os materiais em pó de eletrodo positivo e negativo geralmente precisam ser controlados por umidade antes da pasta e secos simultaneamente durante o estágio final de fabricação do pó. Durante o processo de mistura da pasta, o eletrodo negativo é geralmente uma pasta à base de água e o eletrodo positivo é geralmente uma pasta à base de óleo. Depois que a pasta é revestida, uma secagem preliminar é realizada. O principal objetivo desta etapa é remover o solvente da pasta e formar uma peça polar da bateria com uma estrutura microporosa. Após esta etapa de secagem, ainda resta muita umidade na peça polar. Existem dois processos principais de secagem para remover a umidade residual: a. Antes de a bateria ser enrolada ou laminada, as peças dos pólos da bateria são secas a vácuo. A temperatura geral de secagem é de 120 ~ 150 °C. As peças dos pólos da bateria são frequentemente secas em rolos ou pilhas; b. Antes de encher a bateria com líquido, seque a bateria montada a vácuo. Como a bateria contém componentes como separadores neste momento, a temperatura de secagem é geralmente de 60 a 90°C.
A configuração da temperatura de secagem não é arbitrária, está relacionada à existência forma de umidade no material sólido antes que a bateria de lítio seja preenchida com líquido. De acordo com a natureza e o tamanho da força entre as moléculas de material sólido e as moléculas de água, existem três formas principais de água, conforme mostrado na figura. A primeira é a adesão à água, que é simplesmente ligada mecanicamente à superfície do material; a segunda é a adsorção de água, na qual a água é combinada com a matéria sólida na forma de adsorção física ou química; a terceira é a água combinada, na qual a água é combinada com o material na forma de hidratos de cristal. combinar. Para umidade aderida, pode volatilizar naturalmente em temperatura e pressão normais; para umidade adsorvida, pode evaporar a cerca de 105°C sob pressão normal; enquanto a evaporação da umidade composta geralmente precisa atingir acima de 150°C sob pressão normal. Em um ambiente de vácuo, a temperatura de remoção de umidade pode ser significativamente reduzida. Quanto mais alta a temperatura, melhor o efeito de remoção de umidade, mas a temperatura não deve ser muito alta, porque a maioria dos separadores de bateria de lítio são feitos de materiais poliméricos, como polietileno de alta densidade e polipropileno de alta densidade, e esses materiais poliméricos não são adequados para uso em altas temperaturas. Ele se degradará em altas temperaturas, causando sérios problemas de segurança. Portanto, definir a temperatura de secagem das baterias de lítio de forma razoável é uma questão extremamente importante e precisa ser ajustada adequadamente de acordo com o sistema de material específico.
O processo de secagem da bateria geralmente inclui três estágios: pré-aquecimento, secagem a vácuo e resfriamento. Como a transferência de calor na seção de vácuo é lenta, geralmente é pré-aquecida a uma pressão normal ou pressão mais alta e, em seguida, a bateria é evacuada depois de atingir uma determinada temperatura. Remova a umidade e resfrie até a temperatura ambiente após a secagem para evitar a oxidação dos materiais da bateria. A bateria seca deve tentar evitar o contato com o ambiente atmosférico. Parâmetros de processo como temperatura, grau de vácuo, tempo de pré-aquecimento e tempo de manutenção de vácuo durante o processo de secagem têm um impacto importante nos resultados da secagem. A escolha de parâmetros de processo apropriados é propícia para melhorar a eficiência da secagem.
04 Composição básica e classificação do equipamento de secagem a vácuo
Atualmente, o equipamento de secagem a vácuo usado na indústria de baterias de lítio alcançou uma operação básica totalmente automática. Os componentes básicos do equipamento incluem elementos de aquecimento, sistemas de vácuo, câmaras de secagem, plataformas de carga e descarga e um sistema de controle central.
O componente de aquecimento é usado para fornecer calor ao equipamento de secagem. Os componentes de aquecimento podem ser divididos em aquecimento elétrico, aquecimento por indução eletromagnética, aquecimento por microondas, etc., de acordo com diferentes fontes de aquecimento. Atualmente, o método mais comumente usado de equipamento de secagem de bateria é o aquecimento elétrico. O aquecimento elétrico também inclui aquecimento por circulação de ar quente e aquecimento por contato. O aquecimento por circulação de ar quente é uma combinação de dispositivo de aquecimento e ventilador, que pode fazer com que qualquer posição na câmara de secagem atinja a temperatura de secagem. O aquecimento por contato usa o dispositivo de aquecimento para entrar em contato direto com a bateria para conduzir calor para a bateria, o que melhora a eficiência da utilização de energia e pode efetivamente economizar o consumo de energia. Os principais requisitos de projeto para componentes de aquecimento são taxa de aquecimento, estabilidade de temperatura e uniformidade de temperatura. Portanto, é muito importante controlar e monitorar a temperatura. Os componentes de aquecimento precisam ser equipados com componentes de controle de temperatura e componentes de detecção correspondentes.
A velocidade efetiva de bombeamento da bomba é calculada da seguinte forma:
Na fórmula, a velocidade efetiva de bombeamento da bomba Sp, m3/s; a pressão de trabalho exigida pela câmara de vácuo pg, Pa; o volume total de gás da câmara de vácuo Q, Pa・m3/s.
Q = 1,3 (Q1 + Q2 + Q3)
Na fórmula, Q1——a quantidade de gás gerada durante o processo de vácuo, Pa・m3/s; a quantidade de desgaseificação da câmara de vácuo Q2, Pa・m3/s; a quantidade total de vazamento de ar da câmara de vácuo Q3, Pa・m3/s.
A velocidade nominal de bombeamento da bomba é calculada da seguinte forma:
Na fórmula, Sm é a velocidade nominal de bombeamento da bomba, m3/s; C é a conexão do tubo entre a saída da câmara de vácuo e a entrada da unidade, m3/s.
A plataforma de carga e descarga é usada para carregar e descarregar baterias, incluindo montagem (desmontagem) e empilhamento (desempilhamento) de baterias, digitalização de bandejas de bateria, etc., e manuseio de situações de GN, etc. Com a melhoria dos requisitos de automação, o carregamento e descarregamento da bateria foi basicamente automatizado, exigindo menos intervenção manual. Na estação de carregamento, o leitor de código de barras escaneia a bateria e o palete. A bateria que escaneia o código NG é colocada na plataforma NG. O robô de bateria carrega a bateria digitalizada com sucesso no palete. Quando o palete está cheio, o robô de paletes empilha o palete até o topo. Na mesa de materiais, a mesa de carregamento é preenchida e entra na cavidade de secagem; Após a conclusão da secagem, as baterias são enviadas da cavidade de secagem e o robô de paletes desempilha os paletes camada por camada. O robô de bateria então retira as baterias do palete e entra no próximo. processo.
O sistema de controle é responsável por controlar o sistema de vácuo, elementos de aquecimento e componentes de movimento do sistema de secagem. No entanto, com o desenvolvimento do big data e da Internet das Coisas, essas funções não são mais suficientes para atender aos requisitos atuais de produção. Os sistemas de software tornaram-se cada vez mais importantes para equipamentos de secagem. Além de controlar o hardware, o software precisa ter as seguintes funcionalidades:
1. Capacidade de diagnosticar falhas de equipamentos, exibir falhas atuais e históricas e fornecer métodos de solução de problemas.
2. Capacidade de exibir sinais de entrada e saída e status em tempo real de todos os sensores e atuadores.
3. Capacidade de obter status do equipamento em tempo real e estatísticas sobre o status do equipamento e informações de alarme em 24 horas.
4.Capacidade de recolher informações como tipos de materiais, lotes, modelos e especificações, estabelecer um sistema de rastreio de materiais e rastrear e rastrear informações de materiais.
5. Capacidade de rastrear e gerenciar o processo de produção, coletar parâmetros de processo de estações relevantes durante a secagem do material, incluindo temperatura, nível de vácuo, etc.
6. Capacidade de consultar dados históricos, incluindo execução de produção, uso de equipamentos, controle de processos, etc.
Atualmente, não existe um padrão unificado para equipamentos de secagem a vácuo a bateria e existem várias especificações e formulários. Com base na forma da câmara, pode ser dividido em equipamento de secagem de câmara circular e equipamento de secagem de câmara quadrada. Com base no método de aquecimento, pode ser dividido em equipamento de aquecimento por circulação de ar quente, equipamento de secagem por aquecimento por contato, equipamento de aquecimento por indução, etc. Com base nos diferentes estágios da produção da bateria, ela pode ser dividida em equipamento de secagem de pó de eletrodo positivo e negativo, equipamento de secagem de enrolamento de eletrodo positivo e negativo, equipamento de secagem de células de bateria, etc. Com base no método de descarga do equipamento de secagem, ele pode ser dividido em equipamento de secagem em lote e equipamento de secagem contínua.
05 Equipamento típico de secagem a vácuo a bateria
5.1 Equipamento de secagem a vácuo intermitente
O equipamento de secagem a vácuo intermitente combina vários fornos de secagem simples tradicionais e é equipado com robôs automatizados de carga e descarga e robôs de despacho central para alcançar a produção em massa. Seu diagrama estrutural é mostrado na figura. Este equipamento de secagem tem flexibilidade relativamente alta. O número de fornos de secagem equipados em cada conjunto de equipamentos e o número de cavidades em cada forno de secagem podem ser configurados de acordo com as necessidades específicas.
A plataforma de carregamento do equipamento de secagem é acoplada à linha de fluxo de material do processo anterior. As células da bateria são transferidas da linha de fluxo de material do processo anterior para a plataforma de carregamento. Eles são então posicionados e montados na plataforma de carregamento antes de serem transferidos para o forno de secagem correspondente para secagem. Após o processo de secagem, as células são movidas para a plataforma de descarga para desmontagem e resfriamento antes de entrar na linha de fluxo de material do próximo processo. O método de aquecimento do forno de secagem pode ser circulação de ar quente ou aquecimento por contato. Todo o processo é controlado por um sistema de controle central.
O forno de secagem único é a base e a unidade central do equipamento de secagem a vácuo intermitente. Sua estrutura geralmente inclui unidades básicas, como uma câmara de secagem a vácuo, uma porta selada totalmente automática, um rack, uma placa de vedação externa, uma caixa elétrica, uma tubulação de vácuo, uma tubulação de nitrogênio, um sistema de controle, etc. Se for usado aquecimento a ar, ele também incluirá um tubo de circulação de ar quente. estradas e sistemas de aquecimento.
5.2 Equipamento de secagem contínua a vácuo
O equipamento de secagem contínua a vácuo divide o processo de secagem em vários processos, como pré-aquecimento-secagem a vácuo-resfriamento, etc., e usa diferentes cavidades ou estações de trabalho para realizar pré-aquecimento-secagem a vácuo-resfriamento e outros processos. Essas cavidades ou estações de trabalho são As posições são conectadas por portas seladas, tornando a secagem um processo contínuo. Além disso, é equipado com uma plataforma automatizada de carga e descarga e sistema de transmissão para completar a secagem contínua dos materiais. Seu diagrama estrutural é mostrado na figura. Este equipamento de secagem pode economizar muito o consumo de energia, e o número de estações em cada conjunto de equipamentos pode ser configurado de acordo com os requisitos específicos do processo e a capacidade de produção.
Fluxo contínuo do processo do equipamento de secagem a vácuo: Os núcleos da bateria entram na plataforma de carregamento a partir da linha logística do processo anterior. Eles são posicionados, chapeados e empilhados na plataforma de carregamento e, em seguida, enviados para a câmara de pré-aquecimento para pré-aquecimento. Após o pré-aquecimento, eles passam pela cabine de transição de secagem entra na cabine de secagem a vácuo para secagem a vácuo. Após a secagem, ele entra na cabine de resfriamento para resfriamento. Após o resfriamento, ele vai para a plataforma de descarga para desempilhamento e remoção da bandeja. Depois disso, as células entram na linha logística do próximo processo, e os paletes retornam para a plataforma de carregamento. plataforma. O método de aquecimento da cabine de pré-aquecimento pode ser aquecimento por circulação de ar quente ou aquecimento por contato. O modo de aquecimento da cabine de secagem a vácuo pode ser aquecimento por contato ou aquecimento radiante complementado por aquecimento por circulação de ar quente. Todo o processo é controlado por um sistema de controle central.
O equipamento de secagem contínua a vácuo ou equipamento de túnel é geralmente dividido em vários estágios básicos: pré-aquecimento, secagem a vácuo e resfriamento. A estrutura de uma seção de pré-aquecimento típica é mostrada na figura.
Na foto, o ventilador aciona o gás interno para fluir para baixo, é aquecido pelo pacote de aquecimento e, em seguida, entra na cavidade para aquecer os materiais a serem secos na cavidade. Em seguida, ele entra no tubo de circulação pela saída de ar inferior e retorna ao ventilador para formar um canal de circulação de gás. A principal função da seção de pré-aquecimento é aquecer os materiais secos para atingir rapidamente a temperatura do processo necessária para a secagem a vácuo. Portanto, a taxa de aquecimento e a uniformidade de temperatura da seção de pré-aquecimento são seus principais indicadores de processo.
Depois que o material seco atinge a temperatura predefinida, ele é transferido para a seção de secagem a vácuo através do dispositivo de transporte. A estrutura típica da seção de secagem a vácuo é mostrada na figura.
O grau de vácuo da secagem a vácuo é geralmente em torno de 10 ~ 100Pa. Como está em um ambiente de vácuo e não há gás como meio, a transferência de calor por convecção não pode ser usada. A seção de vácuo geralmente tem um sistema de aquecimento disposto ao redor da cavidade para reabastecer a energia dos materiais secos por meio da radiação.
Para evitar a oxidação da peça polar, o material seco a vácuo precisa ser resfriado antes de sair do equipamento e entrar na sala de secagem. Portanto, a última seção funcional do equipamento de secagem contínua a vácuo é a seção de resfriamento. A estrutura típica da seção de resfriamento é mostrada na figura.
A seção de resfriamento geralmente é equipada com um refrigerador externo para fornecer gás inerte de resfriamento. O gás entra na cavidade através do ventilador, forçando a convecção para resfriar e secar o material e, em seguida, retorna ao refrigerador através do tubo de circulação de ar frio para formar um canal de circulação de ar frio. A seção de resfriamento pode reduzir a temperatura dos materiais secos para perto da temperatura ambiente em um curto período de tempo. Diferentes curvas de resfriamento podem ser alcançadas selecionando diferentes sistemas de refrigeração e taxas de fluxo do ventilador.
5.3 Equipamento de secagem a vácuo com diferentes métodos de aquecimento
A temperatura é um parâmetro central da secagem a vácuo, e o processo de aumento de temperatura é uma etapa importante do processo de secagem. Atualmente, existem dois métodos de aquecimento comumente usados em equipamentos: aquecimento a ar e aquecimento por contato. O aquecimento movido a vento é um método de aquecimento que aquece o ar ou outro meio de gás inerte e usa ventiladores e outros dispositivos para forçá-lo a fluir na cavidade, transferindo calor por convecção forçada. Este também é o método de aquecimento mais comumente usado na indústria. Através do controle preciso da temperatura, o aquecimento a ar pode atingir uma distribuição de temperatura muito uniforme na cavidade, obtendo assim uma temperatura uniforme da bateria.
O aquecimento por contato é outro método de aquecimento por secagem a vácuo que expandiu gradualmente sua aplicação nos últimos anos. Seu princípio básico é colocar a bateria na placa de aquecimento ou no meio da placa de aquecimento e usar a condução de calor para aquecer a bateria. Conforme mostrado na figura, existem três métodos de aquecimento de contato: contato de um lado (inferior), contato de dois lados (ambos os lados) e contato de três lados (inferior e ambos os lados).
Como você pode ver na imagem, as bandejas de bateria aquecidas por contato geralmente são energizadas. Ao carregar e descarregar, a bandeja da bateria é retirada e colocada na posição de carga e descarga para colocar e retirar a bateria; durante a secagem a vácuo, a bandeja é elevada para a posição de aquecimento no centro da câmara de vácuo, e a fonte de alimentação e a medição da temperatura são realizadas através de contatos elétricos elásticos, e a placa de aquecimento é Execute o controle de circuito fechado em tempo real. A bateria é pré-aquecida pela maré quente e, durante o estágio de secagem a vácuo, o meio de gás da maré quente pode reabastecer continuamente a energia para a secagem da bateria.
O uso de aquecimento a ar e aquecimento por contato tem suas próprias vantagens e desvantagens. O equipamento de aquecimento operado a ar tem uma estrutura simples, alta confiabilidade e boa uniformidade de temperatura, mas requer um curto tempo de aquecimento. O equipamento de aquecimento por contato é mais leve porque a potência do calor vem do gradiente de temperatura, portanto, a uniformidade da temperatura é ruim e leva tempo para atingir o equilíbrio de temperatura. Ao mesmo tempo, os contatos elétricos entre a bandeja da bateria de aquecimento de contato e a cavidade geralmente devem estar em contato com um ambiente de vácuo, o que pode facilmente causar problemas de capacidade de produção de vácuo e aumentar o impacto na produção. Do ponto de vista de custo, o equipamento de aquecimento operado a ar tem custos mais baixos devido às suas vantagens na estrutura e controle de temperatura; enquanto o custo de equipamentos do tipo contato com a mesma capacidade de produção será cerca de 30% a 50% maior.
5.4 Equipamento de secagem a vácuo rolo a rolo
O equipamento de secagem a vácuo rolo a rolo é projetado especificamente para secar rolos de eletrodos de bateria. Devido ao grande tamanho dos rolos de eletrodos, o tempo de secagem é geralmente maior e pode haver variações no teor de umidade entre o interior e a superfície dos rolos. A fim de melhorar a eficiência da secagem e obter um teor de umidade consistente, foram desenvolvidos equipamentos de secagem rolo a rolo. O conceito de processamento rolo a rolo originou-se do revestimento e de outros processos, e é um método mais eficiente para materiais de filme fino.
O equipamento de secagem a vácuo rolo a rolo consiste principalmente em uma câmara de vácuo e dispositivos de aquisição de vácuo. A câmara de vácuo inclui componentes para desenrolar os rolos, aquecimento e rebobinamento. O diagrama esquemático do equipamento de secagem a vácuo rolo a rolo é mostrado no diagrama. No entanto, o equipamento de secagem rolo a rolo ainda não é uma tecnologia de secagem madura. Existem muito poucos dispositivos existentes no mercado e as aplicações bem-sucedidas em escala industrial de tais equipamentos são quase inexistentes.
O fluxo do processo de secagem rolo a rolo é relativamente simples: o rolo do eletrodo é colocado no eixo de desenrolamento e o filme do eletrodo passa por vários eixos e rolos de aquecimento antes de ser enrolado no eixo de rebobinamento. Os eixos de desenrolamento e rebobinamento giram simultaneamente e o rolo do eletrodo é aquecido e seco para remover a umidade à medida que passa pelos rolos de aquecimento. Todo o processo ocorre dentro de uma câmara de vácuo. Após a conclusão da secagem, o rolo do eletrodo é descarregado do eixo de rebobinamento.
O esquema de processamento rolo a rolo está maduro, mas ainda há muitos desafios a serem enfrentados no equipamento de secagem rolo a rolo. Em primeiro lugar, os componentes de desenrolamento e rebobinamento têm soluções maduras no mercado. No entanto, para melhorar a eficiência da secagem, são desejáveis velocidades de desenrolamento e rebobinamento mais altas. Para rolos de eletrodo leves e finos, aumentar a velocidade pode levar à quebra do rolo. Além disso, como os componentes de desenrolamento e rebobinamento estão localizados dentro da câmara de vácuo, medidas precisam ser tomadas para evitar a contaminação por poeira durante o processo de transmissão. Por fim, obter aquecimento rápido, controle de uniformidade de temperatura e detecção durante a transmissão de alta velocidade do rolo do eletrodo apresentam dificuldades. Além disso, os requisitos de nível de vácuo e temperatura do equipamento devem ser semelhantes ou iguais aos dos tipos de equipamentos anteriores.
5.5 Logística de Armazenamento Equipamento de Secagem a Vácuo
O equipamento de secagem a vácuo de armazenamento logístico utiliza sistemas de logística existentes para melhorar significativamente a eficiência e a flexibilidade do processo de secagem. Este tipo de equipamento se desvia da grande câmara de secagem tradicional e, em vez disso, usa paletes com tampas como espaços de secagem, com racks de armazenamento para segurar as bandejas de bateria cobertas. Cada posição de armazenamento é equipada com um sistema de encaixe a vácuo e um sistema de encaixe de aquecimento para aquecer as baterias e criar um vácuo dentro das bandejas. O equipamento de secagem a vácuo de armazenamento logístico ainda está em fase de desenvolvimento e não foi implementado em aplicações práticas. O diagrama esquemático de sua estrutura é mostrado no diagrama.
Na plataforma de carregamento, um robô organiza as baterias em bandejas e as cobre. O transelevador coloca as bandejas montadas com baterias nas posições de armazenamento correspondentes nas estantes de armazenamento. O sistema de vácuo e o sistema de aquecimento nos racks são encaixados nas bandejas para aquecer e secar as baterias. Uma vez concluído o processo de secagem, o transelevador coloca as baterias e bandejas na plataforma de descarga, onde as baterias são desembaladas e prosseguem para o próximo processo.
O equipamento de secagem a vácuo de armazenamento logístico conta com o conceito de logística e armazenamento, exigindo assim um alto nível de software de programação logística. Além disso, o transelevador utilizado para o manuseio das baterias e bandejas deve atender a requisitos específicos para garantir a eficiência do equipamento. Ao utilizar o espaço da bandeja como câmara de secagem, o equipamento reduz o tamanho da câmara e melhora significativamente a flexibilidade. No entanto, isso também significa que cada posição de armazenamento deve ter dispositivos de aquecimento e acoplamento a vácuo, o que aumenta os custos de equipamento e manutenção. Este equipamento compartilha muitas semelhanças com o equipamento de secagem a vácuo intermitente. A principal diferença está na câmara menor e mais móvel deste equipamento, tornando-o mais flexível e adequado para produção personalizada.
06.Avaliação do desempenho do equipamento de secagem a vácuo com bateria de lítio
6.1 Avaliação de desempenho de vácuo
O desempenho de vácuo de um equipamento de secagem a vácuo é avaliado principalmente com base em parâmetros como tempo de bombeamento, nível final de vácuo e capacidade de vedação a vácuo da câmara. A avaliação do desempenho do vácuo é normalmente realizada em condições de descarga. A configuração de teste inclui uma bomba de vácuo, válvulas de vácuo, medidor de vácuo, tubos, bem como um medidor de vácuo e temporizador.
O nível de vácuo final refere-se à pressão mais baixa que a câmara pode atingir. Um nível de vácuo final mais baixo é favorável à evaporação da umidade, mas também impõe requisitos mais altos ao equipamento. Portanto, é necessário encontrar um equilíbrio entre o custo do equipamento e o nível final de vácuo. Considerando que o processo de secagem para a maioria das baterias é normalmente realizado a pressões de várias dezenas a algumas centenas de pascais (Pa), com a pressão de trabalho caindo entre 20 a 1000 Pa, um nível de vácuo final de cerca de 10 Pa é suficiente.
Em condições de bombeamento contínuo, o tempo de bombeamento do equipamento é definido como o tempo necessário para atingir o valor de pressão final após a câmara ter sido aberta por 15 minutos e depois evacuada novamente. Geralmente, o tempo de bombeamento deve ser de cerca de 5 a 10 minutos e, se o requisito não puder ser atendido, deve-se considerar a substituição da bomba de vácuo para atender aos requisitos.
A câmara de vácuo é conectada à entrada de sucção da bomba de vácuo através de tubulação de vácuo para garantir que todo o sistema de vácuo seja vedado. A bomba de vácuo é ligada e, quando o nível de vácuo atinge a pressão máxima, a bomba é desligada e a pressão é mantida por 24 horas. A curva de tempo e pressão é registrada e a seção linear da curva de pressão versus tempo é identificada. A inclinação desta seção linear representa o valor da capacidade de vedação a vácuo (ou seja, o aumento do nível de vácuo por hora). A capacidade de vedação a vácuo geralmente deve ser inferior a 5 Pa/h. Se a capacidade de vedação a vácuo não atender aos requisitos, um detector de vazamento de hélio deve ser usado para testar a câmara e melhorar seu desempenho de vedação.
6.2 Avaliação do desempenho da temperatura
O desempenho da temperatura do equipamento de secagem a vácuo com bateria de lítio é avaliado principalmente com base em parâmetros como tempo de aquecimento, flutuação de temperatura, estabilidade de temperatura e uniformidade de temperatura. A avaliação do desempenho da temperatura também é normalmente realizada em condições de descarga. A configuração de teste para desempenho de temperatura inclui sensores de temperatura, como termoresistores e termopares, bem como um registrador de temperatura. Para aquecimento de ar forçado, o ponto de medição de temperatura é normalmente o centro da câmara, enquanto para aquecimento por contato, é o centro do dispositivo de aquecimento.
O tempo de aquecimento refere-se ao tempo que leva para o equipamento atingir a temperatura do processo de secagem da bateria quando o dispositivo de aquecimento é operado na potência máxima da temperatura ambiente. Para aquecimento de ar forçado, o tempo de aquecimento não deve exceder 90 minutos, enquanto para aquecimento por contato, não deve exceder 10 minutos. A flutuação de temperatura é definida como metade da diferença entre as temperaturas mais altas e mais baixas no ponto de medição dentro de um período especificado de 30 minutos após a estabilização da temperatura durante o processo de secagem. A flutuação de temperatura do equipamento de secagem da bateria não deve exceder ±1°C.
A estabilidade da temperatura é determinada pela diferença máxima entre a temperatura média de várias medições de temperatura feitas em diferentes intervalos de tempo dentro de 24 horas após a estabilização da temperatura durante o processo de secagem e a temperatura média durante o período inicial. A estabilidade da temperatura do equipamento de secagem da bateria não deve exceder 2°C.
A uniformidade de temperatura é definida como metade da diferença máxima entre as temperaturas médias em quaisquer dois pontos dentro da câmara (para aquecimento de ar forçado) ou no dispositivo de aquecimento (para aquecimento de contato) durante um intervalo de tempo especificado após a temperatura se estabilizar durante o processo de secagem. Para aquecimento de ar forçado, os pontos de medição de temperatura devem incluir vários pontos no centro e nas bordas da câmara, enquanto para aquecimento por contato, os pontos devem incluir o centro e as bordas do dispositivo de aquecimento. A uniformidade de temperatura do equipamento de secagem da bateria não deve exceder ±3°C. Uma curva típica de teste de uniformidade de temperatura é mostrada na figura.
6.3 Avaliação de umidade após secagem
Niu Junting et al. conduziram um estudo sistemático sobre a relação entre a umidade residual nas peças polares da bateria e o desempenho da bateria. As baterias com um teor de umidade positivo da folha de eletrodo entre 0,04% e 0,05% têm bom desempenho de ciclo. Após 200 ciclos de ciclos de carga e descarga atuais, a capacidade de descarga da bateria ainda permanece em 92,9% da capacidade inicial. À medida que o ciclo avança, a capacidade das baterias com um teor de umidade de mais de 0,06% na folha de eletrodo positivo diminui rapidamente e o desempenho se deteriora. As baterias com um teor de umidade na peça polar da bateria na faixa de 0,03% a 0,06% têm uma capacidade específica de descarga alta e próxima. À medida que a taxa de descarga aumenta, o teor de umidade da peça polar da bateria excede 0,06% e a taxa de atenuação da capacidade aumenta. Como a umidade excessiva tem um grande impacto negativo no desempenho da bateria, o teor de umidade atual da bateria após a secagem geralmente deve ser inferior a 500 mg/kg, e é melhor reduzi-lo para 200 ~ 300 mg/kg.
Como o teor de umidade da bateria é baixo após a secagem, geralmente apenas algumas centenas de miligramas por quilograma, ele não pode ser medido por um método simples. O método Karl Fischer-Coulomb é geralmente usado para testar a umidade dos traços e seu princípio é um método eletroquímico. O princípio da reação é que a água participa da reação redox de iodo e dióxido de enxofre.
Pode-se ver pela reação acima que 1 mol de iodo oxida 1 mol de dióxido de enxofre, o que requer 1 mol de água. Portanto, o poder de eletrólise do iodo é equivalente ao poder de eletrólise da água. A eletrólise de 1 mol de iodo requer 2×96493C de potência, e a eletrólise de 1 mmol de água requer 96493 mC de potência. A massa de humidade medida é calculada de acordo com a seguinte fórmula:
Na fórmula, m é a massa medida de água, μg; Eletrólito Q, mC; 18 eletrólito de água.
A massa de umidade medida também inclui a umidade no sistema de teste. Portanto, a umidade na umidade deve ser medida com base na perda total de massa de umidade da garrafa vazia (valor em branco) e a influência do valor de umidade (valor de deriva) deve ser considerada. A umidade na umidade O conteúdo é calculado da seguinte forma:
Na fórmula, c teor de humidade da amostra, μg/g; m0 massa de umidade da garrafa vazia, μg; Valor de desvio de Dv, μg/min; t tempo de extração, min; m total – massa total da amostra, g.
O diagrama estrutural do testador de umidade Karl Fischer-Coulomb é mostrado na Figura. Inclui principalmente uma célula eletrolítica Karl Fischer e uma unidade de aquecimento de amostra. A amostra da peça polar é colocada em um frasco de amostra lacrado e, em seguida, o frasco de amostra é aquecido a uma determinada temperatura. A água na célula eletrolítica evapora e, em seguida, o gás seco é usado para enviar o vapor de água para a célula eletrolítica para participar da reação e, em seguida, a eletricidade gerada durante o processo de eletrólise é medida para titular o teor de água.
Ao realizar testes de umidade em amostras de bateria usando um analisador de umidade coulométrico Karl Fischer após a secagem, os seguintes pontos devem ser levados em consideração:
um. O frasco de amostra deve ser seco antes da amostragem, normalmente a 120-160 ° C por 3-6 horas. Após a remoção, deve ser imediatamente selado com uma tampa. O teor de umidade em branco do frasco de amostra deve ser inferior a 10 μg e, quanto menor, melhor.
b. A amostragem deve ser realizada em um ambiente com ponto de orvalho. Geralmente, é recomendado ter um ponto de orvalho inferior a -40°C. Deixe o frasco de amostra vazio sem tampa por 1-2 horas como um teste em branco.
c. A placa do eletrodo pode ser cortada em pequenos pedaços com cerca de 0,5 cm ou ao longo da altura do frasco de amostra.
d. O tamanho da amostra para análise geralmente não deve ser inferior a 0,5 g.
e. Recomenda-se o uso de uma balança eletrônica de precisão com resolução de 0,1 mg para pesagem.
f. Antes de realizar testes formais de amostra, certifique-se de que o desvio de corrente seja inferior a 20 μg/min e estável sem tendências significativas de alta ou baixa.
g. Depois de completar uma amostra, remova o frasco com a amostra do forno Karl Fischer, insira-o de volta na garrafa de deriva e deixe o instrumento estabilizar antes de prosseguir para a próxima amostra.
h. A temperatura recomendada para o forno Karl Fischer é de 120-180°C. A temperatura excessiva pode causar volatilização ou reações colaterais de alguns materiais na bateria, levando a resultados de teste imprecisos. Quando não tiver certeza sobre a temperatura de teste, o método de aquecimento gradiente pode ser usado com o analisador de umidade Karl Fischer para analisar o teor de umidade de materiais de bateria de íons de lítio e placas de eletrodos.
07 Direção de desenvolvimento de equipamentos de secagem a vácuo
7.1 Melhoria contínua da eficiência de secagem
Reduzir o tempo de secagem e melhorar a eficiência da secagem sempre foi um objetivo do equipamento de secagem. Aumentar a eficiência da secagem a vácuo ajuda a reduzir os custos do produto e melhorar os benefícios econômicos. Atualmente, os equipamentos de secagem estão se tornando cada vez mais automatizados, o que também contribui para melhorar a eficiência da secagem. No futuro, é necessário desenvolver novos métodos de aquecimento para aumentar a eficiência do aquecimento, desenvolver sistemas logísticos adaptados a equipamentos de secagem para melhorar a eficiência de carga e descarga, criar equipamentos de secagem de baixo consumo de energia, realizar pesquisas sobre mecanismos de secagem de bateria para otimizar os processos de secagem, utilizar software e técnicas de monitoramento para melhorar o controle do processo e melhorar a eficiência operacional do equipamento.
7.2 Projeto modular e padronizado de equipamentos
Atualmente, o equipamento de secagem de baterias é projetado sob medida devido às diferentes especificações das baterias no mercado. Essa falta de padronização limita a flexibilidade do equipamento de secagem de baterias e dificulta sua capacidade de atualização. No futuro, deve haver padrões correspondentes para especificações de bateria, e o design do equipamento de secagem deve aderir a esses padrões. Isso inclui aspectos como tamanho da câmara, seleção de bombas de vácuo, requisitos para placas de aquecimento e posições de instalação de medidores de vácuo e válvulas. Além disso, devido à demanda por produção em lote de baterias, o equipamento de secagem está se tornando maior em tamanho, e a instalação e depuração no local geralmente exigem mão de obra, recursos e tempo significativos. Ao projetar equipamentos de secagem, a modularização deve ser considerada, com cada módulo tendo funcionalidade independente para economizar tempo de instalação e depuração no local.
7.3 Sistema de Execução de Manufatura (MES) para Orientação de Produção
Com a crescente automação na produção de baterias, os sistemas de software dos equipamentos de secagem também estão sendo atualizados. Atualmente, o software do equipamento de secagem pode exibir dados de consumo de energia, registrar informações do produto e processar dados, que são requisitos básicos. No entanto, o MES atual se concentra principalmente na coleta e armazenamento de dados para rastreabilidade dos dados de secagem. No futuro, o MES deve ir além dessas funções e utilizar técnicas como big data para fornecer orientação e melhoria nos processos de secagem de baterias, auxiliando na manutenção de equipamentos e aumentando a eficiência da secagem.
7.4 Detecção de umidade online
Como mencionado anteriormente, o teste de umidade após a secagem da bateria requer a destruição das baterias para avaliar seu teor de umidade e determinar sua aceitabilidade. Atualmente, não existe um método eficaz de detecção de umidade em tempo real disponível. No futuro, pesquisas devem ser conduzidas para desenvolver novos métodos de teste de bateria que possam monitorar o teor de umidade durante o processo de secagem em tempo real, sem a necessidade de testes destrutivos ou análise de umidade pós-secagem. Se o teor de umidade não estiver em conformidade durante o processo de secagem, ajustes imediatos podem ser feitos no processo de secagem até que o teor de umidade atenda aos padrões desejados. O desenvolvimento de novos métodos de detecção de umidade requer uma pesquisa aprofundada sobre o mecanismo de evaporação da umidade das baterias e os fatores de influência relevantes. Portanto, estudar o processo de secagem da bateria é de importância significativa para o avanço dos equipamentos de secagem.
