Nella ricerca e sviluppo nei laboratori di batterie al litio, dalla preparazione degli elettrodi all'assemblaggio della batteria e ai test delle prestazioni, è necessaria una serie di apparecchiature specializzate per supportare il processo. Nella ricerca e sviluppo nei laboratori di batterie al litio, dalla preparazione degli elettrodi all'assemblaggio della batteria e ai test delle prestazioni, è necessaria una serie di apparecchiature specializzate per supportare il processo. L'accuratezza e la stabilità di questi dispositivi determinano direttamente l'affidabilità dei dati di ricerca. Questo articolo si concentra sulle apparecchiature per batterie al litio comunemente utilizzate nei laboratori e ne analizza le funzioni e la logica applicativa.
I. Attrezzatura di base per la preparazione degli elettrodi
1.Piccolo miscelatore per fanghi sotto vuoto
Come apparecchiatura di partenza per la preparazione degli elettrodi, la sua funzione principale è quella di ottenere una dispersione uniforme di materiali attivi, agenti conduttivi, leganti e solventi. Il modello da laboratorio comunemente utilizzato ha un volume effettivo di 0,2 - 3 l, supporta una regolazione continua della velocità di 50 - 500 giri/min ed è dotato di un grado di vuoto ≤ -0,095 MPa. Ciò può prevenire la formazione di bolle residue nella sospensione. Ad esempio, nella preparazione della sospensione per elettrodi positivi ternari, l'apparecchiatura controlla con precisione la temperatura a temperatura ambiente fino a -80 °C per impedire la rapida evaporazione del solvente NMP, garantendo la stabilità della viscosità della sospensione e gettando le basi per il successivo rivestimento.
2. Piccola macchina per rivestimento con coltello abrasivo
ILmacchina di rivestimento deve ricoprire uniformemente la sospensione mista sul collettore di corrente (foglio di alluminio/foglio di rame). I modelli di laboratorio utilizzano principalmente una lama abrasiva per regolare lo spessore, con una precisione di ±5 μm. L'apparecchiatura supporta una velocità di rivestimento regolabile da 1 a 50 mm/s, adatta a sospensioni di diversa viscosità: ad esempio, quando si riveste una sospensione per elettrodi negativi a base di silicio, la velocità deve essere ridotta a 5-10 mm/s per evitare striature nella sospensione dovute all'elevata viscosità, garantendo così l'uniformità dello spessore del foglio dell'elettrodo.
3. Forno di essiccazione sotto vuoto e pressa a rulli
Il foglio di elettrodo rivestito deve essere sottoposto ad essiccazione sotto vuoto in un forno di essiccazione per rimuovere il solvente. L'apparecchiatura di laboratorio ha una precisione di controllo della temperatura di ±1℃ e un grado di vuoto ≤ -0,098 MPa. Può impostare un programma di aumento graduale della temperatura (ad esempio 60℃/2h → 80℃/4h), per evitare la formazione di crepe nel foglio di elettrodo. Il foglio di elettrodo essiccato deve essere pressato da una pressa a rulli. La pressione della piccola pressa a rulli da laboratorio può essere regolata nell'intervallo 0-50 kN e il diametro del rullo è generalmente compreso tra 80 e 120 mm. Controllando la pressione (ad esempio 20-30 kN per l'elettrodo positivo e 15-20 kN per l'elettrodo negativo), è possibile regolare la densità del foglio di elettrodo, influenzando la capacità della batteria e le prestazioni del ciclo.
II. Attrezzatura per l'assemblaggio e la sigillatura delle batterie
1. Glove Box (protezione da gas inerte)
Nell'assemblaggio di batterie cilindriche e a sacchetto, la glove box può fornire un ambiente asciutto e privo di ossigeno (contenuto di acqua e ossigeno ≤ 1 ppm), impedendo agli elettrodi e all'elettrolita di entrare in contatto con l'aria. In laboratorio si utilizzano comunemente glove box a doppia stazione, dotate di sistemi di purificazione del gas e camere di trasferimento sotto vuoto, per completare operazioni come il taglio delle lamine degli elettrodi, l'avvolgimento (o l'impilamento) e il gocciolamento dell'elettrolita. Ad esempio, durante l'assemblaggio di batterie allo stato solido, l'intero processo deve essere eseguito nella glove box per evitare che l'elettrolita allo stato solido assorba umidità e perda la sua efficacia.
2. Macchina sigillatrice per batterie cilindriche
Per le comuni batterie cilindriche come la CR2032, la sigillatrice da laboratorio utilizza metodi di pressione idraulica o manuale, con pressione di sigillatura regolabile (solitamente 0,5-2 MPa). L'apparecchiatura deve garantire prestazioni di sigillatura tali da prevenire perdite di elettrolita e impedire che una pressione eccessiva deformi l'involucro della batteria, compromettendo i test successivi.
III. Attrezzatura chiave per i test delle prestazioni
1. Tester della batteria (sistema di test di carica e scarica)
Questa apparecchiatura di base viene utilizzata per testare parametri quali la capacità della batteria, la durata del ciclo e le prestazioni di velocità. I modelli da laboratorio hanno in genere da 8 a 32 canali, con intervalli di corrente da 0,001 a 10 A e un'accuratezza della tensione di ±0,1 mV. Durante i test, è possibile impostare diversi regimi di carica e scarica, come la carica a tensione costante e corrente costante (CC-CV) e la carica e scarica graduale, per soddisfare diverse esigenze di ricerca: ad esempio, quando si testano le prestazioni del ciclo della batteria, viene spesso utilizzata una velocità di carica e scarica di 1C e viene registrata la velocità di mantenimento della capacità dopo 500 cicli.
2. Stazione di lavoro elettrochimica
Viene utilizzato principalmente per analisi elettrochimiche come l'impedenza di corrente alternata (EIS) e la voltammetria ciclica (CV), per esplorare caratteristiche microscopiche come la resistenza al trasferimento di carica e il coefficiente di diffusione degli ioni di litio nella batteria. In laboratorio si utilizzano comunemente postazioni di lavoro con un intervallo di frequenza compreso tra 10 μHz e 1 MHz e una risoluzione di corrente di 1 pA. Possono essere dotate di dispositivi speciali per condurre test in situ su batterie cilindriche e a sacchetto, fornendo supporto dati per l'analisi dei meccanismi di degradazione della batteria.
IV. Collaborazione sulle attrezzature e valore della ricerca
Le apparecchiature per batterie al litio in laboratorio dovrebbero formare un ciclo chiuso di preparazione, assemblaggio e collaudo: ad esempio, attraverso la macchina di miscelazione della sospensione e la macchina di rivestimento per controllare la qualità del foglio di elettrodo, dopo l'assemblaggio nella glove box, il tester e la postazione di lavoro vengono utilizzati per verificare le prestazioni, e quindi i risultati dei test vengono utilizzati per ottimizzare i parametri dell'apparecchiatura (come la regolazione del tempo di miscelazione e dello spessore del rivestimento) in senso inverso. Questo sistema di apparecchiature non solo garantisce la ripetibilità degli esperimenti su piccola scala, ma verifica anche rapidamente il potenziale applicativo di nuovi materiali (come nuovi materiali catodici, elettroliti allo stato solido), fornendo un supporto fondamentale per lo sviluppo iterativo della tecnologia delle batterie al litio.
