ניתוח וסיכום של תהליך הזדקנות יצירת סוללות ליתיום

ייצור סוללות ליתיום-יון הוא תהליך מקושר היטב של שלבי התהליך. בסך הכל, ייצור סוללות ליתיום כולל תהליך ייצור חלקי מוט, תהליך הרכבת סוללות וזריקת נוזלים סופית, איטום, היווצרות והזדקנות. בתהליך התלת-שלבי ניתן לחלק כל תהליך למספר תהליכים מרכזיים, ולכל שלב תהיה השפעה רבה על הביצועים הסופיים של הסוללה.

בתהליך ייצור חלקי הקוטב ניתן לחלק אותו לחמישה תהליכים: הכנת slurry, ציפוי slurry, גלגל חתיכת מוט, חיתוך חתיכת מוט וייבוש חתיכת מוט. בתהליך הרכבת הסוללה, על פי מפרט הסוללה השונה, ניתן לחלק אותו בערך לתהליכי סלילה, מעטפת, ריתוך ותהליכים אחרים. תהליך הזרקת נוזלים לאחר סיום ההרכבה כולל הזרקה ואיטום נוזלים. האחרון הוא תהליך שלושת השלבים של יצירת סוללה, יישון והפרדת קיבולת. לאחר ייצור הסוללה, יש להפעיל את הסוללה מראש ולייצב אותה בפעם הראשונה, כלומר התהליך היווצרות-הזדקנות-נפח סופי.

1. גיבוש

הרעיון של היווצרות מראש הוא לטעון ולפרוק את סוללת הליתיום-יון המיוצרת בזרם קטן. לאחר סיום ייצור סוללת הליתיום, יש לטעון ולפרוק את הסוללה בזרם קטן. לגבי מטרת הטעינה המוקדמת, ישנם בעיקר שניים:

1). לאחר ייצור הסוללה, חומר האלקטרודה אינו במצב המתאים ביותר, או שהתכונות הפיזיקליות אינן הולמות (למשל, החלקיקים גדולים מדי, המגע אינו קרוב וכו '), או שהשלב עצמו אינו נכון ( לדוגמא, כמה אלקטרודות שליליות של תחמוצת מתכת של מנגנון סגסוגת), יש להפעיל אותה באמצעות הטעינה והפריקה הראשונה.

2). במהלך הטעינה הראשונה של סוללת הליתיום, Li + מוסר מהחומר הפעיל של האלקטרודה החיובית, ולאחר שעבר דרך אלקטרוליט-דיאפרגמה-אלקטרוליט, הוא מוחדר בין שכבות חומר הגרפיט האלקטרודי השלילי. בתהליך זה, אלקטרונים נודדים מהקוטב החיובי לקוטב השלילי לאורך המעגל ההיקפי. בשלב זה, בגלל הפוטנציאל הנמוך של יוני ליתיום המוחדרים לאנודת הגרפיט, האלקטרונים יגיבו תחילה עם האלקטרוליט ליצירת סרט SEI וקצת גז.

במהלך תהליך זה, ייווצר מעט גז ויצרוך כמות קטנה של אלקטרוליטים. חלק מיצרני הסוללות יבצעו פעולות פליטה ומילוי סוללות לאחר תהליך זה. במיוחד עבור סוללות LTO, תיווצר כמות גדולה של גז והסוללה תתנפח. העובי עולה על 10%. עבור האלקטרודה השלילית הגרפיט, כמות הגז המיוצר קטנה, ואין צורך לבצע את פעולת המתיש. הסיבה לכך היא שסרט ה- SEI שהופק בתהליך הטעינה הראשון מפריע לתגובה נוספת של אלקטרונים עם האלקטרוליט, ולא מופק יותר גז. זהו מקור היכולת הבלתי הפיכה של סוללת מערכת הגרפיט. למרות שהוא גורם לאובדן קיבולת בלתי הפיך, זה גם הופך את הסוללה ליציבה.

2. הזדקנות

הזדקנות מתייחסת בדרך כלל למיקום הסוללה לאחר הטעינה הראשונה והיווצרות לאחר הרכבת הסוללה והזרקה. זה יכול להזדקן בטמפרטורת החדר או בטמפרטורה גבוהה. שתי הפונקציות הללו הן להפוך את המאפיינים וההרכב של הסרט SEI שנוצר לאחר הטעינה וההיווצרות הראשוניים ליציבים יותר ולהבטיח יציבות של ביצועים אלקטרוכימיים בסוללה. ישנן שלוש מטרות עיקריות להזדקנות:

1). לאחר שהסוללה עברה את התהליך היוצר מראש, תיווצר כמות מסוימת של סרט SEI על האלקטרודה השלילית הגרפית שבתוך הסוללה, אך לסרט זה מבנה קומפקטי ונקבוביות קטנות. ההזדקנות של הסוללה בטמפרטורות גבוהות תסייע למבנה ה- SEI להתארגן מחדש וליצור נקבוביות רופפות.

2). מתח הסוללה נמצא בשלב לא יציב לאחר היווצרותו, והמתח שלו מעט גבוה יותר מהמתח האמיתי. מטרת ההזדקנות היא להפוך את המתח שלו ליותר מדויק ויציב.

3). הצבת הסוללה בטמפרטורה גבוהה או בטמפרטורה רגילה לפרק זמן יכולה להבטיח שהאלקטרוליט יוכל לחדור באופן מלא לחתיכות המוט, מה שמועיל ליציבות ביצועי הסוללה.

הכרחי להיווצרות תהליך ההזדקנות של הסוללה. בייצור בפועל, תהליך טעינת ופריקת הסוללה נבחר על פי מערכת החומרים והמערכת המבנית של הסוללה, אך יש להטעין את היצירה של הסוללה ולפרוק אותה בתנאי זרם נמוך. לאחר שני תהליכים מרכזיים אלה, הסוללה המיוצבת מחולקת לקיבולת, וניתן לשחרר את הסוללה לאחר אריזה ותהליכים אחרים.