Juhtumiuuring: 100Ah kottrakkude pilootliin ülikooli laboritele ja uurimisinstituutidele

Autor: PhD. Dany Huang
TOB New Energy tegevjuht ning teadus- ja arendustegevuse juht

PhD. Dany Huang

GM / teadus- ja arendustegevuse juht · TOB New Energy tegevjuht

Riiklik vaneminsener
Leiutaja · Akutootmissüsteemide arhitekt · Kõrgetasemeline akutehnoloogia ekspert

Võtke ühendust dr Huangiga

Põhiline lahknevus akadeemilise akuuuringute ja tööstusliku turustamise vahel on sageli kokku võetud ühes mõõdikus: amper{0}}tunnid (Ah). Ülikoolide laborid on aastakümneid tuginenud uudsete katoodmaterjalide, räni-süsinikanoodide ja tahkis{8}}elektrolüütide valideerimiseks CR2032 mündielemendile (tavaliselt 0,002 Ah) või väikestele ühekihilistele kottelementidele (0,1–1 Ah). Kui aga akadeemilised teadlased esitavad need mündielemendi andmed autotööstuse originaalseadmete valmistajatele või{10}}esimese astme elementide tootjatele, on vastus peaaegu üldiselt identne: "Näidake meile andmeid suures formaadis lahtris."

100Ah elektrisõiduki (EV) klassi kottelemendi füüsika erineb täielikult mündielemendist. Soojust hajumist, mehaanilist pinget mahupaisumisel, gaasi teket moodustumise tsükli ajal ja elektronide jaotust massiivsete voolukollektorite vahel ei saa milliampri skaalal täpselt modelleerida. Selle "Surmaoru" ületamiseks teevad tipptasemel-kõrgkoolid nüüd koostööd ühe-peatuse akulahenduste pakkujatega, et luua oma keskmisest-kuni-mastaapsed pilootliinid.

See juhtumiuuring annab põhjaliku inseneriplaani 100 Ah Pouch Cell Pilot Line projekteerimiseks, hankimiseks ja paigaldamiseks ülikooli infrastruktuuris. Uurime kriitilisi üleminekupunkte alates mastaapsest lobrireoloogiast kuni mitmekihilise ultrahelikeevituse äärmuslike nõueteni.

Ajalooline areng: käsitsi valamisest automatiseeritud täpsuseni

Et mõista, kuhu me 2026. aastal liigume, peame mõistma kattetehnoloogia trajektoori. Varajased akuuuringud põhinesid keraamikatööstusest laenatud protsessil "Tape Casting". Doctor Blade oli selle -lihtsa jäiga lati loomulik edasiarendus, mis tasandas lägakogumi. See töötas hästi varajaste LCO (liitiumkoobaltoksiid) akude puhul, kus energiatiheduse nõuded olid tagasihoidlikud.

Kuna aga tööstus liikus suure{0}}võimsusega ja suure-võimsusega elementide poole, ilmnesid "ise-mõõdetavate" süsteemide piirangud. Slot Die katmise kasutuselevõtt, fotofilmide ja tipptasemel paberitööstuses täiustatud tehnoloogia-, muutis akutootmistehase. See viis tööstuse "passiivsest" protsessist, kus foolium tõmbas vedelikku, "aktiivsele" protsessile, kus seadmed dikteerivad vedeliku käitumist. KellTOB UUS ENERGIA, oleme dokumenteerinud, et ainuüksi see nihe võib parandada lahtri -lahtrisse-järjepidevust rohkem kui 40% pilootrea keskkonnas.

I. Rajatise infrastruktuur: suure-võimsusega rakkude eeltingimus

Enne üksiku akutootmisseadme tellimist peab ülikool tegelema rajatisega. 100Ah element sisaldab tohutul hulgal väga reaktsioonivõimelisi materjale. Taristu ei ole pelgalt eluasemenõue; see on raku elektrokeemilise jõudluse aktiivne muutuja.

1. Ultra-Dry Room Engineering

Aku pilootliini kõige kallim ja kriitilisem infrastruktuur on kuivruum. Müntide laboris piisab argooni{1}}täidisega kindalaekast. 100 Ah kott-elemendiliini puhul, mis hõlmab rull--rulli katmist, automaatset virnastamist ja vedela elektrolüüdiga täitmist, on kuivas ruumis kõndimine- kohustuslik.

Standardsete liitium-ioonkeemia (NMC/grafiit) korral peab kuiva ruumi kastepunkt olema -40 kraadi Celsiuse järgi (umbes 127 ppm vett). Kui aga ülikool kavatseb uurida järgmise-põlvkonna tahkete sulfiid-elektrolüütide või liitium-metall-anoode, langeb nõue –60 kraadini Celsiuse järgi (alla 10 ppm). Selle saavutamiseks on vaja massiivseid pöörlevaid kuivatuskuivateid. HVAC-tehnika peab arvestama kuumutatud vaakumkuivatusahjude tekitatud latentse soojuse ja teadlaste endi poolt eralduva niiskusega (tavaliselt 100–150 grammi vett inimese kohta tunnis).

2. Põranda koormus ja vibratsiooniisolatsioon

Ülikoolihooned, eriti vanemad teadusplokid, ei ole sageli tööstuslike põrandate koormamiseks ette nähtud. Rull---pesa stantsimismasin kombineerituna kõrgsurve-kalandreerimismasinaga võib kaaluda mitu tonni ja avaldada tohutut punkt{4}}koormust. Lisaks tekitavad kalandreerimismasinad ja planetaarsekserid madala sagedusega vibratsiooni, mis võib häirida kõrvuti asetsevate kõrge eraldusvõimega elektronmikroskoopide (TEM/SEM) tööd. KellTOB UUS ENERGIA, meie rajatiste planeerimismeeskond teeb koostööd ülikooli arhitektidega, et kavandada kohandatud vibratsiooni-isolatsioonipadjad ja arvutada põranda dünaamiline pinge enne seadmete tarnimist.

3. NMP lahusti taastamine ja heitgaaside juhtimine

Katmisprotsessis kasutatakse katoodsuspensiooni lahustina N-metüül-2-pürrolidooni (NMP). NMP on mürgine ja seda reguleerivad rangelt keskkonnatervise ja -ohutuse (EHS) standardid. 100 Ah pilootliini jaoks on vaja integreeritud NMP taastesüsteemi, mis on kinnitatud katmisseadme väljalasketoru külge. See süsteem kasutab jahutatud vee kondenseerumist või tseoliidi rootori adsorptsiooni, et püüda kinni NMP aur enne, kui see jõuab ülikooli keskväljalasketorusse, tagades sellega vastavuse kohalikele keskkonnaseadustele.

II. Esiosa-Lõpptöötlemine: läga ja elektroodi skaleerimine

Ühe 100 Ah kottelemendi tootmiseks vajate ligikaudu 3–4 ruutmeetrit kahepoolset kaetud elektroodi. 10 lahtri standardpartii jaoks on vaja 40 ruutmeetrit. Keeduklaasi ei saa enam segada ega käeshoitava teraga katta.

1. Kõrge{0}}nihkega segamine50-liitrisel skaalal

Üleminek 1-liitriselt laborisegistilt 50-liitrisele kahe planetaarsele vaakumissegistile muudab vedeliku dünaamikat põhjalikult. Suurte partiide puhul muutub esmaseks väljakutseks temperatuuri reguleerimine. Suured nihkejõud tekitavad intensiivse lokaalse kuumuse, mis võib põhjustada PVDF-i sideaine kristalliseerumist või lahusti enneaegset aurustumist.

Meie pakutavad 50-liitrised segistid ülikoolide pilootliinidele on varustatud kahe-kihi vesijahutussärgi ja mitme-punkti PT100 temperatuurianduritega. Lisaks on viimase segamisetapi ajal vaakumdegaseerimine ülioluline. Kõik 50-liitrisesse partiisse kinni jäänud mikro-mullid muutuvad katmisprotsessi ajal aukudeks, põhjustades liitiumdendriidi katastroofilist kasvu 100 Ah elemendis.

2. KatminejaKalenderdamineenergiatiheduse jaoks

Nagu arutasime meie eelmises piluvormimistehnoloogia analüüsis, ei ole eel{0}}mõõdetud katmine-selles mahus kaubeldav. 100 Ah elementide puhul on massikoormus viidud oma piiridesse (suure energiatarbega rakenduste puhul sageli üle 20 milligrammi ruutsentimeetri kohta).

Pärast katmist ja kuivatamist tuleb elektrood hüdraulilise rullpressi abil tihendada. 300 mm laiuse elektroodi kalandrimiseks on vaja sadu tonne lineaarrõhku. Kui rõhk ei ole rullidel täiesti ühtlane, siis foolium kortsub või "kaardub". Varustame oma pilootkalandreerimismasinad "Roll Bending" tehnoloogiaga ja sideaine pehmendamiseks induktsioonkuumutusega, mis võimaldab saavutada suurt tihendustihedust (nt NMC katoodide puhul 3,6 g/cm3) ilma aktiivse materjali osakesi purustamata.

III. Keskmine-otsa töötlemine: koti arhitektuur

Kotielemendi kokkupanek on äärmise mehaanilise täpsuse harjutus. 100Ah element ei ole üks elektrokeemiline üksus; see on kuni 80 või 100 üksiku katoodi, separaatori ja anoodi kihi paralleelühendus.

1. Z-Vinastaminevs.Kerimine

Kui silindrilised elemendid kasutavad mähist, siis suure{0}}formaadiga kottelemendid sõltuvad suuresti Z-virnastamisest. Virnastamismasinas Z- volditakse katkematu separaatoririba Z-kujuliselt edasi-tagasi, voldidesse sisestatakse diskreetsed lõigatud katoodi ja anoodi lehed.

Inseneri tolerants on siin andestamatu. Anood peab olema katoodist veidi suurem ("üleulatuv osa"), et vältida kiirlaadimise ajal servade liitiumikatmist. Kui virnastamismehhanism nihutab ühte katoodilehte 0,5 millimeetri võrra nii, et see ulatub anoodist kaugemale, on kogu 100 Ah element tuleoht. Meie täiustatud pilootvirnastamismasinad kasutavad mitut CCD-kaamera nägemissüsteemi, et teostada suletud-ahela joonduse korrigeerimist, tagades iga kihi täiusliku üleulatuse geomeetria.

2. Mitme-kihi füüsikaUltraheli keevitamine

Kui element on virnastatud, tuleb kõik 80 kihti alumiiniumfooliumi (katoodidelt) keevitada alumiiniumlipiku külge ja kõik 80 kihti vaskfooliumi (anoodidest) keevitada nikli- või vasklapiga.

Laserkeevitusega seda teha ei saa, sest õhukesed kiled lihtsalt aurustuvad. Selle asemel kasutame ultrahelikeevitusseadmeid. See protsess kasutab kõrgsageduslikke akustilisi vibratsioone (tavaliselt 20 kHz kuni 40 kHz), mida rakendatakse rõhu all, et luua tahkisõmblus.

80 kihi keevitamine 100 Ah elemendi jaoks nõuab tohutut võimsust-, sageli 3000–4500 vatti. Väljakutse on "keevisõmbluse läbitungimine". Kui energia on liiga madal, siis alumised kihid ei haaku (põhjustab suurt sisemist takistust). Kui energia on liiga kõrge, rebeneb sonotrood (vibreeriv tööriist) ülemistest kihtidest läbi. KellTOB UUS ENERGIA, pakume kohandatud sonotroodide sarvede konstruktsioone ja dünaamilisi rõhureguleerimissüsteeme, mis on spetsiaalselt loodud EV-klassi rakkudes leiduvate raskete tab{0}}ja-fooliumi vahekordade jaoks.

3. Kotikese vormimine ja sügavjoonistamine

Kotielemendi korpus on valmistatud alumiiniumlamineeritud kilest (ALF)-, mis on komposiit nailonist, alumiiniumfooliumist ja polüpropüleenist. Massiivse 100 Ah virna hoidmiseks tuleb ALF-i külm-vormistada sügav "tass", kasutades kotivormimismasinat.

Suure mahutavusega{0}}elementide puhul võib selle tassi sügavus ületada 10 millimeetrit. Sügava tõmbamise ajal kogeb ALF äärmist tõmbepinget. Kui mulgustus ja stants pole täiuslikult poleeritud või kui kinnitusrõhk on vale, puruneb kile sees olev alumiiniumkiht mikro-murd. Need nähtamatud murrud võimaldavad niiskusel rakku selle eluea jooksul siseneda, põhjustades katastroofilist turset. Meie piloot-skaalavormimismasinad kasutavad programmeeritavate kiiruskõveratega servo-stantse, et venitada kilet õrnalt ilma selle voolavuspiiri rikkumata.

IV. Tagasi-Lõpeta töötlemine: aktiveerimise keemia

Kui virn on koti kolmest küljest suletud, läheb protsess masinaehituselt tagasi keemiatehnoloogiasse.

1. Elektrolüüdi vaakum täitmineja niisutusdünaamika

Elektrolüüdi süstimine CR2032 mündielementi võtab sekundit. 100–150 grammi elektrolüüdi süstimine tihedalt kokkusurutud 100 Ah kottelementide virna on tohutu hüdrodünaamiline väljakutse. Kokkusurutud elektroodide poorsus ja separaatori nanopoorid tekitavad tohutu kapillaari takistuse.

Kui valate vedeliku lihtsalt sisse, koguneb see ülaosas, jättes raku keskosa täiesti kuivaks. Kui aku on laetud, muutuvad need kuivad kohad surnud tsoonideks, sundides märjad alad töötama kahekordse kavandatud C{1}}kiirusega, hävitades raku kohe.

Meie akude pilootsarjades rakendame vaakumelektrolüütide täitmise süsteeme. Sulgemata kott asetatakse kambrisse ja tõmmatakse sügav vaakum, mis eemaldab kogu õhu elektroodi pooridest. Seejärel süstitakse elektrolüüti. Atmosfäärirõhu taaskehtestamisel surub see vedeliku füüsiliselt sügavale virna keskele. 100Ah elementide puhul tuleb seda vaakum{5}}rõhutsüklit korrata mitu korda, millele järgneb kõrgel temperatuuril{6}}vanandamise puhkeperiood, et tagada niisutamise täielik homogeensus.

2. Moodustamine, gaasi tootmine ja sekundaarne tihendus

Tootmise viimane etapp on "Moodustamine"-esimene aku hoolikas laadimine, et luua anoodile tahke elektrolüüdi interfaasi (SEI) kiht.

SEI moodustumisel vedelas elektrolüüdisüsteemis tekib märkimisväärne kogus gaasi (peamiselt etüleeni, vesinikku ja süsinikmonooksiidi). 100Ah elemendis on see gaasimaht tohutu. See on põhjus, miks kottelemendid on konstrueeritud koos "gaasikottiga"-, mis on ALF-i kotti tihendamata lisapikkus, kuhu gaas saab koguneda.

Kui moodustumine on meie ülitäpsetel{0}}akude testimiskanalitel lõppenud, kantakse element vaakum-lõplikusse sulgemismasinasse. See masin läbistab gaasikoti vaakumkeskkonnas, eraldab kogu kogunenud gaasi ja rakendab lõpliku termilise tihendi otse raku korpuse kohale. Seejärel lõigatakse üleliigne gaasikott ära ja visatakse ära. See protsess nõuab ülimat täpsust tagamaks, et koos gaasiga ei imetaks välja elektrolüüti, mis muudaks elemendi hoolikalt arvutatud vedeliku{4}}mahutavuse suhet{5}}.

V. Kvaliteedikontroll ja ohutus ülikoolikeskkonnas

Tööstuslikus Gigatehases on rakkude testimiseks spetsiaalsed turvapunkrid. Ülikooli laboratoorium asub sageli hoones, mis on täis üliõpilasi ja muid uurimisosakondi. Seetõttu peavad 100Ah liini kvaliteedikontrolli (QC) ja ohutusprotokollid olema veatud.

1. Mittepurustav testimine

Enne 100Ah elemendi laadimist tuleb see üle vaadata. Integreerime kõrge-pingega Hi-Pot-testimismasinad, et tuvastada mikro-lühised enne elektrolüüdi täitmist. Veelgi olulisem on see, et Z-virna sisemise joonduse kontrollimiseks soovitame X-ray-kontrollisüsteeme. Kui röntgenikiirte abil tuvastatakse anoodi üleulatuse anomaalia, lammutatakse rakk enne, kui see muutub termiliseks põgenemisriskiks.

2. Soojusjuhtimine ja EHS-i protokollid

100 Ah elemendi tsükli-eluea testimise ajal vabastab termiline põgenemine uskumatul hulgal energiat, mürgist vesinikfluoriidhappe (HF) gaasi ja tulekahju. Ülikooli pilootliinidele mõeldud akude testimise seadmed peavad asuma plahvatuskindlates keskkonnakambrites, mis on varustatud aktiivsete tulekustutussüsteemide ja spetsiaalse kiire-väljatõmbeventilatsiooniga.

VI. Majanduskava: 100Ah pilootliini ehitamine

Et pakkuda ülikoolide juhtivatele uurijatele (PI) ja osakonnajuhatajatele realistlikku raamistikku stipendiumitaotluste jaoks, on siin standardse 100Ah NMC/Graphite pilootliini kontseptuaalne parameetrite paigutus, mille on välja töötanudTOB UUS ENERGIA:

VII. Järeldus: järgmise-põlvkonna innovatsiooni keskus

100Ah kottrakkude pilootliini ehitamine ülikooli sees on tohutu ettevõtmine. See muudab keemiaosakonna tõeliseks arenenud tootmiskeskuseks. See võimaldab teadlastel tõestada, et nende uudsed materjalid peavad vastu kalandreerimisel tekkivale füüsilisele kokkusurumisele, suure-nihkejõuga segamise termilisele pingele ja vaakumniisutamise keerulisele vedelikudünaamikale.

Kui ülikool saab esitada tsükli-eluea andmeid, mis on loodud täiuslikust, sisemiselt toodetud 100 Ah kottelemendist, ei ole nad enam pelgalt paberite avaldamine-, vaid dikteerivad autotööstuse tarneahela tulevikku.

KellTOB UUS ENERGIA, mõistame, et akadeemilised teadlased ei pruugi olla mehaanikainsenerid. Seetõttu on meie lähenemine ülikoolide akulaboritele terviklik. Me ei viska laadimisdokile seadmete kaubaaluseid; projekteerime rajatise, integreerime masinad, koolitame doktorante-tööstusliku tööprotokolli alal ja pakume pidevat materjali, mis on vajalik pilootliini töös hoidmiseks. Ehitame silla üle Surmaoru, võimaldades teie uuendustel jõuda kommertsmaailma.

TOB UUE ENERGIA kohta

TOB UUS ENERGIAon ülemaailmselt tunnustatud{0}}akulahenduste pakkuja akutööstusele, mis on pühendunud täiustatud energiasalvestustehnoloogiate turustamise kiirendamisele. Meie teadmised hõlmavad kogu aku elutsüklit, pakkudes kõikehõlmavaid lahendusi akude laboratoorsete uuringute jaoks, piloot-mastaabis tootmisliine ja täielikult automatiseeritud masstootmisrajatisi. Toitlustame kõiki domineerivaid ja esilekerkivaid keemiaid, sealhulgas liitium-ioon-, tahkis--, naatrium-- ja liitium-väävlisüsteeme.

Kombineerides tipptasemel-kohandatud akuvarustuse, rangelt testitud akumaterjalide ja võrratu tehnilise nõustamise,TOB UUS ENERGIAannab ülikoolidele, uurimisinstituutidele ja ülemaailmsetele elementide tootjatele võimaluse minna sujuvalt üle kontseptuaalsest elektrokeemiast turu{0}}liidritoodetele. Oleme teie pühendunud inseneripartner parima aku poole püüdlemisel.