Что такое горячая герметизация литий-ионных аккумуляторов пластиком?
Отказы карманных ячеек в полевых условиях? Около 60-70 % связаны с проблемами герметизации. Ни катода, ни сепаратора, ни даже BMS — всего лишь два слоя пленки, которые не склеились должным образом. В большинстве учебников по батареям горячему уплотнению посвящено, наверное, две страницы, но оно вызывает больше претензий по гарантии, чем люди хотят признать.
Фильм, который делает всю работу
Алюминиевая ламинатная пленка выполняет три задачи, упакованные в один материал. Внешний нейлон царапается и блокирует кислород. Средний алюминиевый слой задерживает влагу-это настоящий барьер, поскольку даже небольшое количество водяного пара вступает в реакцию с LiPF6 с образованием газообразного HF. Внутренний CPP (литой полипропилен) плавится во время герметизации, создавая фактическое соединение.
Звучит просто. На практике обеспечение взаимодействия всех трех слоев в течение 2-3-секундного цикла запечатывания требует большего контроля над процессом, чем ожидают большинство операторов при первой настройке линии упаковки в пакеты.
DNP, Showa Dko и Youlchon по-прежнему поставляют большую часть ламинированной пленки премиум-класса по всему миру. Китайские производители-Zijiang, Daoming и некоторые другие-ликвидировали разрыв в приложениях среднего-уровня, хотя элементы с высоким-циклом-жизни по-прежнему склонны использовать японскую или корейскую пленку. Выбор материала влияет на качество уплотнения больше, чем следует из технических характеристик.
Как на самом деле работает герметизация
Два нагретых стержня сверху и снизу сжимают сложенную ламинатную пленку. Температура на поверхности стержня составляет от 185 до 225 градусов. Но вот что не подчеркивается в руководствах к оборудованию: температура слоя CPP оказывается примерно на 10 градусов ниже температуры стержня, поскольку тепло в первую очередь проходит через нейлон и алюминий. Заданное значение 215 градусов означает примерно 205 градусов на фактической границе соединения.
Боковые уплотнения охлаждаются-обычно до 185 градусов, поскольку это просто соединение пленки-с пленкой. Для верхних швов требуется температура 210–220 градусов, поскольку выступы электродов пробивают упаковку, а герметизирующая пленка добавляет тепловую массу. Этот герметик (обычно модифицированный полипропилен) должен одновременно сцепляться с поверхностью металлического выступа и слоем CPP. Три разных интерфейса, один цикл запечатывания.
Механизм слияния включает взаимную диффузию полимерных цепей. CPP достигает состояния вязкого течения, цепи мигрируют по границе раздела под давлением, а затем запутываются по мере остывания. Кривые ДСК для большинства коммерческих ламинированных пленок показывают окно плавления между 160 и 215 градусами -два эндотермических пика, обозначающих границы. Целью является работа между этими пиками.
Где производственные линии испытывают трудности
Загрязнение уплотнителя язычка
считается наиболее распространенным видом отказа. Заполнение электролитом происходит перед окончательным уплотнением, и любые остатки на поверхности уплотнения снижают прочность соединения. Даже пары растворителя могут изменить поверхностную энергию CPP настолько, что это вызовет проблемы. Некоторые предприятия протирают участки уплотнений IPA; более эффективные операции контролируют влажность и используют выделенные чистые зоны на последнем этапе герметизации. Апоставщик литиевых аккумуляторовс высокой эксплуатационной надежностью обычно имеют строгие протоколы,-о которых стоит спросить во время квалификации.
Равномерность температуры вдоль сварочной планки
вызывает больше отказов, чем думает большинство людей. Нагревательные элементы не распределяются идеально по длине стержня. Холодные пятна дают неполное слияние; горячие точки вызывают выдавливание-там, где расплавленный CPP выталкивается из зоны уплотнения, оставляя тонкие слабые участки, которые трескаются при охлаждении. Многозонный контроль температуры помогает, но на многих линиях по-прежнему используются однозонные-барьеры и просто допускается более высокий уровень брака.
Выдавливание-и микро-растрескивание
Это происходит, когда температура или давление становятся слишком высокими. Расплавленному полимеру некуда деваться, кроме как за пределы зоны уплотнения. В тонком остаточном слое во время охлаждения образуются трещины под напряжением,-иногда видимые под увеличением, иногда нет. Со временем они становятся путями утечки. Профилированные уплотнительные головки с выступами и каналами контролируют поток материала лучше, чем плоские стержни, хотя они стоят дороже и требуют более жестких допусков при установке.
Отслоение клея язычка
появляется через несколько месяцев после отправки клеток. Герметизирующая пленка на контактах электродов должна связывать металл-с-клеем, клей-с-клеем (в месте стыка слоев) и клей-с-CPP. Отсутствие какого-либо интерфейса означает, что электролит в конечном итоге растекается по вкладке. Ячейки проходят первоначальные испытания на герметичность, а затем выходят из строя в полевых условиях, когда наконец прорывается медленная ползучесть. Тесты на ускоренное старение фиксируют некоторые из этих проблем, но не все.
Пленки для сухого и термического ламинирования
То, как была изготовлена сама ламинатная пленка, влияет на герметичность.
Термическое ламинирование соединяет CPP с алюминием с помощью клея MPP под воздействием тепла и давления. Этот процесс работает, но воздействие тепла может сделать клейкий слой хрупким. Некоторыйлитиевая батарея OEMпрограммы перешли на пленки для сухого ламинирования-клейкая пленка затвердевает при более низкой температуре, остается более гибкой, лучше выдерживает глубокие вытяжки.
Пленки для сухой-обработки обычно обеспечивают более широкие окна герметизации. На пленках, полученных термической-обработкой, иногда во время формовки появляются трещины по краям-корпуса, чего не было бы при использовании сухой пленки. Это не значит, что термическая обработка плоха; множество ячеек с большим-объемом успешно используют его. Но когда возникают проблемы с герметизацией, которые больше ничем не объясняются, стоит изучить процесс изготовления пленки.
Примечания к оборудованию
Верхняя уплотнительная планка обычно представляет собой гладкую «световую планку», обернутую тефлоновой лентой. Тефлон предотвращает прилипание при выдавливании полимера, обеспечивает освобождение после каждого цикла и слегка выравнивает распределение тепла. Лента изнашивается и требует регулярной замены.-Загрязненный или изношенный ПТФЭ проявляется в виде следов на запечатанной пленке.
Нижняя планка обычно имеет профилированную поверхность с центральным каналом, облицованным силиконовой резиной. Силикон обеспечивает гибкость, позволяющую справляться с изменениями толщины в областях вкладок. Без этого соответствия распределение давления становится неравномерным, а прочность соединения варьируется по ширине шва.
Асимметричный дизайн-гладкий верх, профилированный низ-обеспечивает контролируемое сжатие, а не просто силу зажима. Здесь важна настройка; изменение выравнивания стержней на несколько десятых миллиметра приводит к заметным изменениям.
Вопросы, которые показывают зрелость процесса
Во время квалификации поставщика эти вопросы, как правило, отделяют серьезные операции от тех, которые вызывают головную боль по поводу гарантии:
Любойпоставщик литиевых батарей на заказреальное проектирование процессов может дать конкретные ответы на эти вопросы. Те, кто не может, вероятно, отдают на аутсорсинг больше, чем они признают.
Реальность цепочки поставок
Для элементов промышленного оборудования-вилочные погрузчики, AGV, подъемники, поломоечные машины-качество материала влияет на стоимость жизненного цикла больше, чем на закупочную цену. Алитиевая батарея оптомрасчет, основанный исключительно на цене за киловатт-час, упускает суть, если неисправности пломб приводят к увеличению обращений в сервисную службу в третий год.
Японские и корейские пленки для ламината стоят дороже. Они также меньше терпят неудачу. Китайские пленки отлично подходят для применений с более коротким-циклом или там, где преобладает ценовое давление. Сопоставьте характеристики материала с реальным вариантом использования, а не выбирайте по умолчанию самый дешевый-доступный вариант.
Производители литиевых батарейблагодаря своему-собственному опыту в области герметизации, как правило, здесь можно принимать более обоснованные решения о выборе поставщиков. Те, кто покупает линии «под ключ» и запускает любую пленку, предложенную поставщиком оборудования… результаты различаются.
Герметизация не сложна с точки зрения-тепла, давления и охлаждения. Правильная реализация при объемах производства с учетом проникновения вкладок, риска загрязнения электролитом и температурных градиентов требует большей технологической дисциплины, чем предполагает простота. Надежность в полевых условиях очень тесно связана с тем, сколько внимания производитель уделяет этому этапу.
