Nghiên cứu điển hình: Dây chuyền thí điểm tế bào túi 100Ah dành cho các phòng thí nghiệm và viện nghiên cứu của trường đại học

Tác giả: Tiến sĩ. Đan Hoàng
CEO & Trưởng nhóm R&D, TOB New Energy

Tiến sĩ. Đan Hoàng

Trưởng nhóm GM/R&D · CEO của TOB New Energy

Kỹ sư cao cấp quốc gia
Nhà phát minh · Kiến trúc sư hệ thống sản xuất pin · Chuyên gia công nghệ pin tiên tiến

Liên hệ với bác sĩ Hoàng

Sự khác biệt cơ bản giữa nghiên cứu pin hàn lâm và thương mại hóa công nghiệp thường được tóm tắt bằng một chỉ số duy nhất: Ampe-giờ (Ah). Trong nhiều thập kỷ, các phòng thí nghiệm của trường đại học đã dựa vào pin đồng xu CR2032 (thường là 0,002 Ah) hoặc pin túi nhỏ một lớp-(0,1 đến 1 Ah) để xác thực các vật liệu cực âm mới, cực dương cacbon-silicon và chất điện phân ở trạng thái rắn{8}}. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu học thuật trình bày dữ liệu ô đồng xu này cho các OEM ô tô hoặc nhà sản xuất ô{10}}cấp một, phản hồi gần như giống hệt nhau: "Hiển thị cho chúng tôi dữ liệu trong một ô định dạng lớn".

Đặc tính vật lý của pin dạng túi loại 100Ah dành cho Xe điện (EV) hoàn toàn khác với pin dạng đồng xu. Sự tản nhiệt, ứng suất cơ học trong quá trình giãn nở thể tích, sự tạo ra khí trong chu kỳ hình thành và sự phân bố electron trên các bộ thu dòng điện lớn không thể được mô hình hóa chính xác ở thang đo miliampe. Để vượt qua "Thung lũng tử thần" này, các trường đại học-hàng đầu hiện đang hợp tác với các nhà cung cấp giải pháp pin một-pin một cửa để xây dựng các dây chuyền thí điểm quy mô vừa-đến{6}}quy mô lớn của riêng họ.

Nghiên cứu điển hình này cung cấp một kế hoạch chi tiết kỹ thuật nghiêm ngặt để thiết kế, mua sắm và lắp đặt Dây chuyền thí điểm tế bào dạng túi 100Ah trong cơ sở hạ tầng của trường đại học. Chúng tôi sẽ xem xét các điểm chuyển tiếp quan trọng, từ lưu biến bùn trên quy mô lớn đến nhu cầu cực cao của hàn siêu âm nhiều{2}}lớp.

Sự phát triển lịch sử: Từ đúc thủ công đến độ chính xác tự động

Để hiểu chúng ta sẽ đi đâu vào năm 2026, chúng ta phải hiểu quỹ đạo của công nghệ sơn phủ. Nghiên cứu về pin ban đầu dựa vào "Đúc băng", một quy trình mượn từ ngành gốm sứ. Doctor Blade là sự phát triển tự nhiên của-một thanh đơn giản, cứng nhắc giúp san bằng một vũng bùn. Nó hoạt động tốt với pin LCO (Lithium Cobalt Oxide) thời kỳ đầu có yêu cầu về mật độ năng lượng rất khiêm tốn.

Tuy nhiên, khi ngành chuyển sang các tế bào có công suất-công suất cao và-công suất cao, những hạn chế của hệ thống "tự đo" trở nên rõ ràng. Sự ra đời của lớp phủ Slot Die, một công nghệ được cải tiến trong ngành công nghiệp giấy ảnh và-cao cấp, đã cách mạng hóa cơ sở sản xuất pin. Nó chuyển ngành công nghiệp từ quy trình "thụ động", trong đó giấy bạc kéo chất lỏng sang quy trình "chủ động", trong đó thiết bị điều khiển hoạt động của chất lỏng. TạiTOB NĂNG LƯỢNG MỚI, chúng tôi đã ghi nhận rằng chỉ riêng sự thay đổi này cũng có thể cải thiện tính nhất quán giữa các ô-với- ô lên hơn 40% trong môi trường dòng thử nghiệm.

I. Cơ sở hạ tầng cơ sở: Điều kiện tiên quyết cho các tế bào có công suất-cao

Trước khi đặt hàng một thiết bị sản xuất pin, trường đại học phải giải quyết vấn đề cơ sở. Một tế bào 100Ah chứa một khối lượng lớn vật liệu có khả năng phản ứng cao. Cơ sở hạ tầng không chỉ đơn thuần là yêu cầu về nhà ở; nó là một biến tích cực trong hiệu suất điện hóa của tế bào.

1. Kỹ thuật phòng khô cực-

Cơ sở hạ tầng quan trọng và đắt tiền nhất cho dây chuyền thử nghiệm pin là Phòng Khô. Trong phòng thí nghiệm tế bào tiền xu, một hộp găng tay chứa đầy khí argon là đủ. Đối với dòng tế bào dạng túi 100Ah bao gồm lớp phủ cuộn-đến-cuộn, xếp chồng tự động và đổ đầy chất điện phân dạng lỏng, việc đi bộ-trong phòng khô là bắt buộc.

Đối với các chất hóa học ion Lithium-tiêu chuẩn (NMC/Graphite), phòng khô phải duy trì điểm sương là -40 độ C (khoảng 127 ppm nước). Tuy nhiên, nếu trường đại học có ý định nghiên cứu các chất điện phân trạng thái rắn Sulfide rắn{6}} thế hệ tiếp theo hoặc cực dương Lithium-Metal thì yêu cầu sẽ giảm xuống -60 độ C (dưới 10 ppm). Để đạt được điều này đòi hỏi phải có Máy hút ẩm quay lớn. Kỹ thuật HVAC phải tính đến nhiệt ẩn được tạo ra bởi lò sấy chân không được làm nóng và độ ẩm do chính các nhà nghiên cứu phát ra (thường là 100 đến 150 gam nước mỗi người, mỗi giờ).

2. Cách ly tải trọng và rung động của sàn

Các tòa nhà đại học, đặc biệt là các khối nhà khoa học cũ, thường không được xếp hạng chịu tải sàn công nghiệp. Máy tráng khuôn dạng rãnh từ cuộn-đến{2}}cuộn kết hợp với máy cán láng liên tục áp suất cao-có thể nặng vài tấn và tạo ra tải trọng điểm-rất lớn. Hơn nữa, máy cán và máy trộn hành tinh tạo ra các rung động tần số-thấp có thể gây nhiễu cho các kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao-lân cận (TEM/SEM). TạiTOB NĂNG LƯỢNG MỚI, nhóm quy hoạch cơ sở của chúng tôi làm việc với các kiến ​​trúc sư đại học để thiết kế các miếng đệm cách ly rung-tùy chỉnh và tính toán ứng suất động của sàn trước khi giao thiết bị.

3. Quản lý khí thải và thu hồi dung môi NMP

Quá trình phủ sử dụng N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) làm dung môi cho huyền phù cathode. NMP độc hại và được quản lý chặt chẽ bởi các tiêu chuẩn an toàn và sức khỏe môi trường (EHS). Dây chuyền thí điểm 100Ah yêu cầu Hệ thống phục hồi NMP tích hợp được gắn vào ống xả của máy tráng. Hệ thống này sử dụng quá trình ngưng tụ nước lạnh hoặc hấp phụ rôto zeolit ​​để thu giữ hơi NMP trước khi nó đi đến ống xả trung tâm của trường đại học, đảm bảo tuân thủ luật môi trường địa phương.

II. -Xử lý mặt trước: Chia tỷ lệ bùn và điện cực

Để sản xuất một pin dạng túi 100Ah, bạn cần khoảng 3 đến 4 mét vuông điện cực được phủ hai mặt. Một lô tiêu chuẩn gồm 10 ô cần 40 mét vuông. Bạn không còn có thể trộn trong cốc hoặc áo khoác bằng lưỡi dao cầm tay nữa.

1. Trộn cắt cao-ở quy mô 50 lít

Việc chuyển đổi từ máy trộn phòng thí nghiệm 1 lít sang máy trộn chân không hành tinh kép 50 lít làm thay đổi cơ bản động lực học chất lỏng. Với những lô lớn, việc kiểm soát nhiệt độ trở thành thách thức chính. Lực cắt cao tạo ra nhiệt cục bộ mạnh, có thể làm cho chất kết dính PVDF kết tinh hoặc dung môi bay hơi sớm.

Máy trộn 50L mà chúng tôi cung cấp cho các dây chuyền thí điểm của trường đại học được trang bị áo làm mát bằng nước hai lớp và-cảm biến nhiệt độ PT100 đa điểm. Hơn nữa, việc khử khí chân không trong giai đoạn trộn cuối cùng là rất quan trọng. Mọi bong bóng vi mô-bị mắc kẹt trong mẻ 50 lít sẽ chuyển thành lỗ kim trong quá trình phủ, gây ra sự phát triển thảm khốc của dendrite lithium trong pin 100Ah.

2. Lớp phủVàlịchcho mật độ năng lượng

Như đã thảo luận trong phân tích trước đây của chúng tôi về công nghệ khuôn dạng rãnh,-lớp phủ định lượng trước là không thể-thương lượng ở quy mô này. Đối với các ô 100Ah, khối lượng tải theo khu vực được đẩy đến giới hạn (thường vượt quá 20 miligam trên centimet vuông đối với các ứng dụng năng lượng cao).

Sau khi được phủ và sấy khô, điện cực phải được làm đặc bằng máy ép cuộn thủy lực. Việc cán một điện cực rộng 300mm cần hàng trăm tấn áp suất tuyến tính. Nếu áp suất không hoàn toàn đồng đều trên các con lăn, giấy bạc sẽ bị nhăn hoặc "khum". Chúng tôi trang bị cho các máy cán thí điểm của mình công nghệ "Roll Bending" và gia nhiệt cảm ứng để làm mềm chất kết dính, cho phép đạt được mật độ nén cao (ví dụ: 3,6 g/cm3 đối với cực âm NMC) mà không làm nghiền nát các hạt vật liệu hoạt động.

III. -Xử lý phần cuối: Kiến trúc của túi

Việc lắp ráp tế bào túi là một công việc đòi hỏi độ chính xác cơ học cực cao. Pin 100Ah không phải là một đơn vị điện hóa đơn lẻ; nó là một kết nối song song lên tới 80 hoặc 100 lớp cực âm, dải phân cách và cực dương riêng lẻ.

1. Z-Xếp chồngso vớiQuanh co

Trong khi các ô hình trụ sử dụng cuộn dây, các ô dạng túi có kích thước lớn-phụ thuộc nhiều vào việc xếp chồng Z-. Trong máy xếp chồng Z-, một dải dải phân cách liên tục được gấp tới lui theo hình chữ "Z", với các tấm cực âm và cực dương đã cắt rời rạc được chèn vào các nếp gấp.

Dung sai kỹ thuật ở đây là không thể tha thứ. Cực dương phải lớn hơn cực âm một chút ("Phần nhô ra") để tránh lớp mạ lithium ở các cạnh trong quá trình sạc nhanh. Nếu cơ chế xếp chồng lệch một tấm cực âm 0,5 mm để nó vượt quá cực dương thì toàn bộ tế bào 100Ah sẽ có nguy cơ cháy. Máy xếp chồng thí điểm tiên tiến của chúng tôi sử dụng nhiều hệ thống thị giác camera CCD để thực hiện hiệu chỉnh căn chỉnh vòng lặp khép kín-một cách nhanh chóng, đảm bảo hình học nhô ra hoàn hảo cho mỗi lớp.

2. Vật lý của nhiều lớp-Hàn siêu âm

Sau khi tế bào được xếp chồng lên nhau, tất cả 80 lớp lá nhôm (từ cực âm) phải được hàn vào tab nhôm và tất cả 80 lớp lá đồng (từ cực dương) phải được hàn vào tab niken hoặc đồng.

Điều này không thể thực hiện được bằng hàn laser vì các lá mỏng sẽ bốc hơi. Thay vào đó, chúng tôi sử dụng thiết bị hàn siêu âm. Quá trình này sử dụng các rung động âm thanh tần số cao (thường là 20 kHz đến 40 kHz) dưới áp suất để tạo ra mối hàn ở trạng thái rắn.

Hàn 80 lớp cho một ô 100Ah yêu cầu công suất lớn-thường là 3000 đến 4500 Watt. Thách thức là "sự thâm nhập của mối hàn". Nếu năng lượng quá thấp, các lớp dưới cùng sẽ không liên kết được (gây nội trở cao). Nếu năng lượng quá cao, sonotrode (dụng cụ rung) sẽ xé toạc các lớp trên cùng. TạiTOB NĂNG LƯỢNG MỚI, chúng tôi cung cấp các thiết kế còi sonotrode tùy chỉnh và hệ thống kiểm soát áp suất động được thiết kế đặc biệt cho các tỷ lệ tab-to-nặng được tìm thấy trong các ô cấp EV-.

3. Tạo hình túi và vẽ sâu

Vỏ của ngăn túi được làm bằng Màng nhiều lớp nhôm (ALF)-một hỗn hợp của nylon, lá nhôm và polypropylen. Để chứa ngăn xếp 100Ah khổng lồ, một "cốc" sâu phải được làm lạnh-thành ALF bằng máy tạo túi.

Đối với các ô có dung lượng-cao, độ sâu của cốc này có thể vượt quá 10 mm. Trong quá trình vẽ sâu, ALF chịu áp lực kéo cực độ. Nếu chày và khuôn không được đánh bóng hoàn hảo hoặc nếu áp suất kẹp không chính xác thì lớp nhôm bên trong màng sẽ bị nứt-vi mô. Những vết nứt vô hình này sẽ cho phép hơi ẩm xâm nhập vào tế bào trong suốt tuổi thọ của nó, dẫn đến tình trạng sưng tấy nghiêm trọng. Máy tạo vảy-thí điểm của chúng tôi sử dụng máy đột điều khiển bằng servo-với các đường cong tốc độ có thể lập trình để kéo căng màng một cách nhẹ nhàng mà không vi phạm cường độ năng suất của nó.

IV. Quay lại-Kết thúc quá trình xử lý: Tính chất hóa học của quá trình kích hoạt

Sau khi ngăn xếp được niêm phong bên trong ba mặt của túi, quy trình sẽ chuyển từ kỹ thuật cơ khí trở lại kỹ thuật hóa học.

1. Làm đầy chất điện phân chân khôngvà động lực làm ướt

Việc bơm chất điện phân vào pin đồng xu CR2032 chỉ mất vài giây. Việc bơm 100 đến 150 gam chất điện phân vào ngăn xếp túi 100Ah được nén chặt là một thách thức lớn về mặt thủy động lực học. Độ xốp của các điện cực nén và các lỗ nano của thiết bị phân tách tạo ra lực cản mao dẫn rất lớn.

Nếu bạn chỉ cần đổ chất lỏng vào, nó sẽ đọng lại ở phía trên, khiến phần giữa của tế bào khô hoàn toàn. Khi tế bào được sạc, những điểm khô này sẽ trở thành vùng chết, buộc các vùng ẩm ướt phải hoạt động với tốc độ C- gấp đôi thiết kế, phá hủy tế bào ngay lập tức.

Trong các dây chuyền thử nghiệm pin của mình, chúng tôi triển khai hệ thống nạp chất điện phân chân không. Túi không kín được đặt trong một buồng và hút chân không sâu, loại bỏ tất cả không khí bên trong các lỗ điện cực. Sau đó chất điện phân được tiêm vào. Khi áp suất khí quyển được đưa trở lại, nó sẽ ép chất lỏng vào sâu trong tâm ống khói. Đối với các ô 100Ah, chu trình áp suất chân không-này phải được lặp lại nhiều lần, sau đó là khoảng thời gian-nghỉ lão hóa ở nhiệt độ cao để đảm bảo tính đồng nhất hoàn toàn của quá trình làm ướt.

2. sự hình thành, Tạo khí và Niêm phong thứ cấp

Bước sản xuất cuối cùng là "Hình thành"-lần sạc pin cẩn thận đầu tiên để tạo ra lớp xen kẽ chất điện phân rắn (SEI) trên cực dương.

Trong quá trình hình thành SEI trong hệ thống điện phân lỏng, một lượng khí đáng kể (chủ yếu là ethylene, hydro và carbon monoxide) được tạo ra. Trong ô 100Ah, thể tích khí này rất lớn. Đây là lý do tại sao các ngăn túi được thiết kế với một "Túi khí"-có chiều dài bổ sung, không bịt kín của túi ALF nơi khí có thể tích tụ.

Sau khi quá trình hình thành hoàn tất trên các kênh thử nghiệm pin có độ chính xác-cao của chúng tôi, tế bào sẽ được chuyển đến máy hút chân không cuối cùng. Máy này xuyên qua túi khí trong môi trường chân không, hút toàn bộ khí tích tụ và áp dụng một lớp bịt kín nhiệt cuối cùng ngay phía trên thân tế bào. Túi khí dư thừa sau đó được cắt bỏ và loại bỏ. Quá trình này đòi hỏi độ chính xác cực cao để đảm bảo không có chất điện phân nào bị hút ra cùng với khí, điều này sẽ làm thay đổi tỷ lệ dung lượng-trên-chất lỏng được tính toán cẩn thận của tế bào.

V. Kiểm soát chất lượng và an toàn trong môi trường đại học

Một Gigafactory công nghiệp có các hầm an toàn chuyên dụng để thử nghiệm tế bào. Phòng thí nghiệm của trường đại học thường nằm trong một tòa nhà chứa đầy sinh viên và các phòng nghiên cứu khác. Do đó, các giao thức Kiểm soát Chất lượng (QC) và An toàn cho đường dây 100Ah phải hoàn hảo.

1. Thử nghiệm-không phá hủy

Trước khi sạc pin 100Ah, nó phải được kiểm tra. Chúng tôi tích hợp các máy kiểm tra nồi-điện áp cao-cao để phát hiện các vết đoản mạch cực nhỏ-trước khi đổ đầy chất điện phân. Quan trọng hơn, chúng tôi khuyên dùng hệ thống kiểm tra X{6}}Ray để xác minh sự căn chỉnh bên trong của ngăn xếp Z-. Nếu phát hiện thấy điểm bất thường nhô ra ở cực dương thông qua tia X-, thì tế bào sẽ bị loại bỏ trước khi nó trở thành nguy cơ thoát nhiệt.

2. Quản lý nhiệt và giao thức EHS

Trong quá trình-thử nghiệm vòng đời của pin 100Ah, hiện tượng thoát nhiệt sẽ giải phóng một lượng năng lượng đáng kinh ngạc, khí axit hydrofluoric (HF) độc hại và lửa. Thiết bị kiểm tra pin được cung cấp cho các dây chuyền thí điểm của trường đại học phải được đặt trong các buồng môi trường chống cháy nổ-được trang bị hệ thống chữa cháy chủ động và hệ thống thông gió-thoát khí nhanh chuyên dụng.

VI. Kế hoạch kinh tế: Xây dựng tuyến thí điểm 100Ah

Để cung cấp cho các Điều tra viên Hiệu trưởng (PI) và các trưởng khoa của trường đại học một khuôn khổ thực tế cho các đơn xin trợ cấp, đây là bố cục tham số khái niệm cho dây chuyền thí điểm 100Ah NMC/Graphite tiêu chuẩn được thiết kế bởiTOB NĂNG LƯỢNG MỚI:

VII. Kết luận: Trung tâm của-Đổi mới thế hệ tiếp theo

Xây dựng dây chuyền thí điểm tế bào dạng túi 100Ah trong một trường đại học là một công việc to lớn. Nó biến bộ phận hóa học thành một trung tâm sản xuất tiên tiến thực sự. Nó cho phép các nhà nghiên cứu chứng minh rằng vật liệu mới của họ có thể chịu được lực nén vật lý của quá trình cán, ứng suất nhiệt của quá trình trộn cắt-cao và động lực học chất lỏng phức tạp của quá trình làm ướt chân không.

Khi một trường đại học có thể trình bày dữ liệu vòng đời-được tạo ra từ một tế bào túi 100Ah hoàn hảo được sản xuất nội bộ, họ không còn chỉ xuất bản các bài báo-mà họ đang quyết định tương lai của chuỗi cung ứng ô tô.

TạiTOB NĂNG LƯỢNG MỚI, chúng tôi hiểu rằng các nhà nghiên cứu hàn lâm không nhất thiết phải là kỹ sư cơ khí. Đó là lý do tại sao cách tiếp cận của chúng tôi đối với các phòng thí nghiệm pin ở trường đại học là mang tính toàn diện. Chúng tôi không thả pallet thiết bị tại bến bốc hàng; chúng tôi thiết kế cơ sở, tích hợp máy móc, đào tạo các-nghiên cứu sinh tiến sĩ về các quy trình vận hành công nghiệp và cung cấp nguồn cung cấp vật liệu liên tục cần thiết để duy trì hoạt động của dây chuyền thí điểm. Chúng tôi xây dựng cây cầu bắc qua Thung lũng Tử thần, cho phép những đổi mới của bạn tiếp cận thế giới thương mại.

Giới thiệu về TOB NĂNG LƯỢNG MỚI

TOB NĂNG LƯỢNG MỚIlà nhà cung cấp giải pháp toàn diện được công nhận trên toàn cầu cho ngành pin, chuyên thúc đẩy quá trình thương mại hóa các công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến. Chuyên môn của chúng tôi bao gồm toàn bộ vòng đời của pin, cung cấp các giải pháp toàn diện cho việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về pin, dây chuyền sản xuất-quy mô thí điểm và cơ sở sản xuất hàng loạt hoàn toàn tự động. Chúng tôi phục vụ cho tất cả các ngành hóa học thống trị và mới nổi, bao gồm các hệ thống lưu huỳnh Lithium-ion, Trạng thái rắn-, Natri{6}}và Lithium-lưu huỳnh.

Bằng cách kết hợp-thiết bị pin tùy chỉnh tiên tiến, vật liệu pin được kiểm tra nghiêm ngặt và tư vấn kỹ thuật tuyệt vời,TOB NĂNG LƯỢNG MỚItrao quyền cho các trường đại học, viện nghiên cứu và nhà sản xuất tế bào toàn cầu chuyển đổi liền mạch từ điện hóa học khái niệm sang các sản phẩm-dẫn đầu thị trường. Chúng tôi là đối tác kỹ thuật tận tâm của bạn trong việc theo đuổi loại pin tối ưu.