電極の圧縮と導電率に対する圧延圧力の影響
持続可能な現代社会と気候目標の文脈において、バッテリーエネルギー貯蔵技術は世界の自動車産業の変革と世界経済の持続可能な成長にとって重要な方向性となっています。リチウムイオン電池 (リブ ) は、その長いサイクル寿命と高レート性能により、消費者、電力、およびエネルギー貯蔵市場における主要なエネルギー貯蔵ソリューションの 1 つとなっています。現時点では、生産コストの削減、性能の向上には依然として課題があります。リチウムイオン電池の性能と耐久性。したがって、生産プロセスがバッテリーに与える影響を深く理解し、生産プロセスの特別なニーズを評価することが非常に重要です。将来の傾向と方向性は、リチウムイオン電池材料の変化だけでなく、製造プロセスにも依存します。ローラー圧縮プロセスでは、2つのローラー間のギャップサイズまたは力を事前に設定することにより、リチウム電極シートの望ましい圧縮密度が確保されます。適切なローラー速度と温度で。電池容量を増加させ、電子伝導性と電気化学的性能を向上させるために、リチウムイオン電池の極片は圧延技術によって製造されます。圧延プロセス中の電極微細構造の進化と、電極の影響についての深い研究と理解。電極の最終構造と性能に関するプロセスパラメータは、電極をより細かく制御し、全体的な性能を向上させるのに役立ちます。
2022 年に、張 らは、離散要素法の数値シミュレーションと圧延試験を組み合わせて、磁極片の圧延プロセスに関する系統的な顕微鏡的および巨視的研究を実施し、ヘッケル方程式を使用して電極圧縮予測モデルを補足しました。図 1 は概略図です。圧縮過程における磁極片の応力と変位曲線の図。磁極片の変形が粒子の粉砕、二次粒子の融着、バインダネットワークの圧縮、集電体表面の変形に関係していることが明らかになりました。同時に、この研究結果は、電子伝導性の増加は、一方では電極内の伝導経路の改善、他方ではコーティングと集電体の間の接触の強化に関連していることを示しています。この研究に基づいて、本論文では、BER2500シリーズ磁極片抵抗試験装置を採用して、異なる圧縮密度、つまり異なる圧延圧力の下でグラファイト磁極片の導電性を試験した。同時に、ポールピースの圧縮性能を試験および分析するための装置の平坦プレス構造を組み合わせて、リチウムイオン電池ポールピースの圧延生産プロセスの新しい評価方法を提供します。
図 1. ポールピースの力 - 変位曲線の概略図
(緑色の部分は実験結果、灰色の部分はシミュレーション結果を表します)
実験装置と試験方法
1.1 実験設備
試験装置の型式はBER2500(IEST )、電極径は14mm、印加圧力範囲は5~60MPaです。このデバイスを図 2(a) および 2(b) に示します。
図 2. (a) BER2500 の外観図。(b) BER2500の構造図
1.2 サンプルの準備とテスト
1.2.1 同じプロセスフォーミュラ条件でスラリーを均一にコーティングした後、小、中、大などの異なる圧力を使用してロールプレスを実行し、1/2/3/4 の 4 種類の圧縮完成ポールピースを取得します。磁極片圧延の圧力は 1&それ ;2&それ ;3&それ ;4 です。4つの磁極片の圧縮密度はそれぞれ切断厚さ重量法によって計算され、圧縮密度も1(1.35g/cm3 )&それ ;2(1.5g/cm3 )&それ ;3(1.6g/cm3 )&それ ;3を示します。 (1.6g/cm3 ) cm3 )&それ ;4 (1.65g/cm3 )、つまり圧延圧力が増加するにつれて、圧縮密度も増加する傾向を示します。
1.2.2 BER2500 装置と組み合わせ、定常状態試験モード、5 ～ 60MPa、5MPa 間隔、15 秒間の保持圧力を使用して、異なる圧縮密度の磁極片の圧縮と抵抗を比較および試験します。テストの具体的なプロセスは、5MPaから一定の圧力を加えて15秒間保持し、ポールピースを圧縮し、ポールピースの厚さと抵抗を同時に記録します。その後、5MPa 間隔で圧力を増加させ、60MPa になるまでポールピースの厚さと抵抗などを記録します。次に、加える圧力を徐々に下げて荷重を解除し、厚さと抵抗を記録します。
データ分析
異なる圧縮密度を持つ 4 つの電極を取得した後、定常状態モードを使用して、異なる定量的圧力条件下でポールピースに負荷圧縮-除荷リバウンドテストを実行し、厚さの変化を記録し、5MPa の初期圧力点をベンチマークとして使用します。厚さの変形を計算する 正規化計算を実行して、さまざまな磁極片の応力-ひずみ曲線を取得し (図 3 を参照)、それらの変形を要約します (表 1 を参照)。結果グラフから、ポールピース圧延圧力の増加に伴い、4 つのポールピースの最大変形、可逆変形、および不可逆変形が徐々に減少することがわかります (1>2>3>4) しかし、減少傾向は徐々に鈍化します。この変化傾向は、粉末粒子の流れと再配列、弾性変形と塑性変形、および粉砕を含む、磁極片コーティングにおける粉末の充填および圧縮効果と密接に関連しています。通常、ポールピースのカレンダー加工プロセスでは、摩擦、表面力、弾性変形、塑性変形、および圧潰を克服して、電極コーティングに作用して電極を圧縮する必要があります。
この実験で設計されたコーティング部分の材料配合は一貫しています。回転圧力の違いは、粒子の流れと再配列に直接影響します。圧延圧力の増加により、粒子間の摩擦に打ち勝ち、粒子がより緊密に配置され、互いに結合することができます。もっと近くで。さらに、圧延圧力が増加すると、粉末は最初に再配置され、元の穴を満たします。粒子が密着した後も圧力は増加し続け、粒子は相互作用して弾性変形します。粒子に対する圧力が増加すると、一定の降伏応力の後、活性粒子は塑性変形を受けます。これが、圧延圧力の増加に伴って圧縮密度が徐々に増加する主な理由でもあります。リチウムイオン電池の極片の配合では、通常、流動助剤、結合剤、導電剤などの機能性添加剤を活性粉末に追加する必要があります。これは、さまざまな圧力下での極片の全体的な状態の変化にも影響します。実際のポールピースの製造において、ポールピースはプロセス条件、ローラーの圧力、張力、速度、粉末圧縮性能などの総合的な要因の影響を受けます。この論文の実験で設定した全体圧力は比較的小さいですが、圧縮性能の傾向は実際の生産プロセスと一致しており、プロセス評価の有効な手段として使用できます。これは、異なる圧力下でのポールピースの全体的な状態の変化にも影響します。実際のポールピースの製造において、ポールピースはプロセス条件、ローラーの圧力、張力、速度、粉末圧縮性能などの総合的な要因の影響を受けます。この論文の実験で設定した全体圧力は比較的小さいですが、圧縮性能の傾向は実際の生産プロセスと一致しており、プロセス評価の有効な手段として使用できます。これは、異なる圧力下でのポールピースの全体的な状態の変化にも影響します。実際のポールピースの製造において、ポールピースはプロセス条件、ローラーの圧力、張力、速度、粉末圧縮性能などの総合的な要因の影響を受けます。この論文の実験で設定した全体圧力は比較的小さいですが、圧縮性能の傾向は実際の生産プロセスと一致しており、プロセス評価の有効な手段として使用できます。
図 3. 4 種類のポールピースの応力-ひずみ (圧縮性能) 曲線
表 1. 4 種類の磁極片の変形の概要
リチウムイオン電池ポールピースの圧延プロセス中、ポールピースの幅と長さの変形は非常に小さく、ポールピースの圧延によりコーティングの厚さが減少し、圧縮密度が増加し、接着力が向上します。電極構造を安定させ、電池容量の目的を向上させるために、コーティングを施します。ポールピースの圧延加工は、単位面積当たりの質量をほぼ一定にし、体積を小さくする加工です。粒子間、粒子と集電体の間はバインダーによって結合されています。磁極片の厚さ方向の圧縮は、集電体とコーティングの同時圧縮の結果ですが、集電体の厚さの変化は比較的小さいです。粉末粒子と集電体の間にも相互作用があります。圧延プロセス中に、粒子は集電体上にピットを形成し、それによってコーティングと集電体の間の接触面積と凝集力が増加します。
図４と図５はそれぞれ、定常状態モードで一連の平坦な圧力を加えた場合の、４つの異なる圧縮密度を有する磁極片の厚さの変化曲線と抵抗率の変化曲線を示しています。圧力が増加すると、ポールピース全体の厚さが全体として薄くなります。一定の圧力がかかると、ポールピースの厚さは安定する傾向があります。同時に、圧力が低い場合、ポールピースは反発しやすくなります。そのため、変圧試験では圧力によって厚みが大きく変化します。比抵抗曲線では、ポールピース 1 および 2 の変化傾向がポールピース 3 および 4 の変化傾向よりも大きくなっています。これは主に、ポールピース 1 および 2 と比較して、大きな圧延圧力下での磁極片 3 と 4 のコーティング粒子間の接触と、コーティングと集電体の接触がより緊密になり、平面圧力測定中の磁極片全体の厚さの変化が小さくなります。異なる圧力下での比抵抗試験結果を比較すると、圧延圧力が小さい磁極片の絶対値は圧延圧力が大きい磁極片に比べて小さい。これは、扁平磁極片の厚さ方向の変化が長手方向の導電率を作りやすいためと考えられる。ポールピースの改善。電子伝導性の実際の評価では、特定のニーズに合わせて最も合理的なパラメータを選択してテストできます。また、平面圧力測定中のポールピース全体の厚さの変化はより小さくなります。異なる圧力下での比抵抗試験結果を比較すると、圧延圧力が小さい磁極片の絶対値は圧延圧力が大きい磁極片に比べて小さい。これは、扁平磁極片の厚さ方向の変化が長手方向の導電率を作りやすいためと考えられる。ポールピースの改善。電子伝導性の実際の評価では、特定のニーズに合わせて最も合理的なパラメータを選択してテストできます。また、平面圧力測定中のポールピース全体の厚さの変化はより小さくなります。異なる圧力下での比抵抗試験結果を比較すると、圧延圧力が小さい磁極片の絶対値は圧延圧力が大きい磁極片に比べて小さい。これは、扁平磁極片の厚さ方向の変化が長手方向の導電率を作りやすいためと考えられる。ポールピースの改善。電子伝導性の実際の評価では、特定のニーズに合わせて最も合理的なパラメータを選択してテストできます。これは、扁平な磁極片の厚さ方向の変化により、磁極片の長手方向の導電性が良くなりやすいためと考えられる。電子伝導性の実際の評価では、特定のニーズに合わせて最も合理的なパラメータを選択してテストできます。これは、扁平な磁極片の厚さ方向の変化により、磁極片の長手方向の導電性が良くなりやすいためと考えられる。電子伝導性の実際の評価では、特定のニーズに合わせて最も合理的なパラメータを選択してテストできます。
図 4. 4 つの磁極片の厚さの変化曲線
図 5. 4 つの磁極片の導電率試験曲線
要約する
この論文では、の BER2500シリーズポールピース抵抗計試験装置は、異なる圧延圧力下でのグラファイト磁極片の圧縮性能と導電性をテストするために使用され、異なる圧延圧力下での磁極片の性能の違いを効果的に区別できます。実際の製造プロセスでは、圧延圧力、バッテリーの選択は、特定のプロセス公式と組み合わせて合理的に選択する必要があります。バッテリー容量を増やすと同時に、バッテリーの全体的な電気的性能も効果的に向上させることができます。