Droogelektrodeproces: de sleutel tot massaproductie van hoogwaardige solid-state batterijen

Bij volledig vastestofbatterijen wordt de vloeibare elektrolyt vervangen door een vastestof-elektrolytmembraan. Het productieproces aan de voorkant van de batterij vereist daarom, naast de traditionele positieve en negatieve elektroden, ook de voorbereiding van deze vaste elektrolytfilm. Dit proces is een cruciale schakel in de batterijproductie en bepaalt direct de prestaties en kwaliteit van de uiteindelijke cel. Hoewel het natte proces momenteel nog dominant is in de productie van vastestofbatterijen, wordt het droge proces steeds meer de standaard voor de volgende generatie vastestofbatterijtechnologie, dankzij de gecombineerde voordelen op het gebied van kosten, procesefficiëntie en materiaalcompatibiliteit.

01. Belangrijke verbeteringen in de productie van voorgevormde solid-state batterijen

Het productieproces van solid-state batterijen verschilt fundamenteel van dat van traditionele vloeibare batterijen. De voorbereiding van de elektrolytfilm is de cruciale overgangsfase in het batterijproductieproces. Deze fase bepaalt direct de energiedichtheid, de prestaties bij hoge laadsnelheden en de levensduur van de uiteindelijke cel. Bij solid-state batterijen vervangt het solid-state elektrolytmembraan de vloeibare elektrolyt. Daarom moet de voorbereiding niet alleen de conventionele positieve en negatieve elektroden omvatten, maar ook de solid-state elektrolytfilm. Deze fundamentele verandering brengt nieuwe uitdagingen met zich mee en biedt tegelijkertijd kansen voor procesverbetering.

02. Technologische transformatie: De sprong van nat naar droog proces

De huidige voorbereidingsprocessen voor de voorkant van solid-state batterijen worden hoofdzakelijk onderverdeeld in twee technische categorieën: nat en droog. Het natte proces maakt nog steeds gebruik van het oplossingssysteem van traditionele vloeibare batterijen, waarbij elektrode- of elektrolytmaterialen worden gemengd met een bindmiddel om een slurry te vormen, die vervolgens wordt aangebracht en gedroogd om de filmvorming te voltooien.

Hoewel dit proces relatief volwassen is, kent het inherente nadelen: het vereist het gebruik van grote hoeveelheden giftige organische oplosmiddelen (zoals NMP), brengt energieverslindende stappen met zich mee voor het drogen en terugwinnen van oplosmiddelen, en beperkt de toepassing van bepaalde geavanceerde materialen die gevoelig zijn voor oplosmiddelen.

Het droge proces daarentegen vernieuwt de elektrodeproductie door het gebruik van oplosmiddelen en de daaropvolgende droogstap te elimineren. Het droge proces is meer afhankelijk van droogmeng- en fibrillatieapparatuur met hoge afschuifkracht om een uniforme materiaaldispersie en voorvorming te bereiken, gevolgd door meerwalsenpersen om de filmvorming direct te voltooien.

De belangrijkste voordelen van droge filmvormingstechnologie zijn op drie vlakken duidelijk:

• Kostenefficiëntie: Door de stappen van coaten, drogen en oplosmiddelterugwinning over te slaan, zijn de investeringen in apparatuur lager, wordt het energieverbruik verminderd en kunnen de totale productiekosten van de cellen met ongeveer 18% worden verlaagd.

• Prestatieverbetering: Het droogproces verhoogt effectief de compactheid van het actieve materiaal, wat leidt tot een toename van de energiedichtheid met ongeveer 20%. De semi-vastestofbatterij van SAIC Group, geïntegreerd in het MG4-model, heeft een systeemenergiedichtheid van 400 Wh/kg bereikt, waarmee een snellaadbeurt van 12 minuten een actieradius van 400 km mogelijk maakt.

• Milieu- en materiaalcompatibiliteit: Het droge proces elimineert de behoefte aan giftige oplosmiddelen en lost daarmee de milieuvervuilingsproblemen van het traditionele natte proces op. Tegelijkertijd maakt het de toepassing van kosteneffectievere materialen mogelijk (zoals kathodes op basis van mangaan).

03. Technologiematrix: Gediversifieerde paden voor droge filmvorming

Het vormen van droge elektroden is geen op zichzelf staand proces, maar een complex geheel van verschillende technische methoden. Momenteel omvatten de meest representatieve technologieën voor de bereiding van droge elektroden hoofdzakelijk zes typen:

• Fibrillatiemethode: Het proces maakt gebruik van een hoge schuifkracht om het bindmiddel te fibrilleren, waardoor het actieve materialen en geleidende stoffen stevig kan inkapselen en een zelfdragende elektrodefilm vormt. Dit proces vereist extreem hoge schuifkracht en nauwkeurige temperatuurregeling van de apparatuur.

• Droge sproeiafzetting: Het maakt gebruik van geladen poeder, dat onder invloed van een elektrisch veld gelijkmatig op de stroomcollector wordt afgezet, waarna het bindmiddel door middel van heet persen smelt en fixeert, waardoor een zelfdragende film ontstaat.

• Andere methoden: Dampafzetting, smeltextrusie, direct persen en 3D-printen worden toegepast op basis van verschillende materiaaleigenschappen en toepassingsscenario's.

Deze verschillende trajecten verschillen in technische principes, toepasbare materialen, filmvormende mogelijkheden en complexiteit van de apparatuur, en zijn geschikt voor verschillende toepassingen zoals grootschalige, flexibele elektroden, kleine apparaten en dikke elektrodeplaten.

Vergelijking van de belangrijkste technische routes voor droge filmvorming

De industrie is over het algemeen van mening dat de bindmiddelfibrillatiemethode superieure prestatie-stabiliteit en verwerkbaarheid biedt, waardoor deze methode zich ontwikkelt tot de gangbare productiemethode.

4. Uitdagingen bij industrialisatie: De kloof overbruggen van laboratorium naar massaproductie

Ondanks de duidelijke voordelen van droge filmvorming, stuit de opschaling van laboratorium naar massaproductie op talrijke obstakels. Capaciteit en efficiëntie zijn daarbij van het grootste belang. De capaciteit en snelheid van droge coating blijven nog steeds achter bij traditionele natte processen, en de uniformiteit en hechting bij het spuiten op grootformaat oppervlakken vereisen aanzienlijke verbetering.

De uniformiteit en kwaliteitscontrole van de coating vormen een andere grote uitdaging. Niet-uniforme droge elektrodecoatings kunnen "hot spots" in de elektrode creëren, wat leidt tot versnelde prestatievermindering van de batterij en potentiële veiligheidsrisico's.

Ook de compatibiliteit van het bindmiddel en het materiaal moet nog verder worden geoptimaliseerd. Het is essentieel om een uniforme verdeling van PTFE-fibrillen in het mengsel te bereiken en tegelijkertijd schade aan de actieve materiaaldeeltjes te voorkomen. Bovendien is PTFE instabiel bij lage potentialen en reageert het onomkeerbaar met lithium, wat de toepassing ervan in negatieve elektroden beperkt.

Ook aan de machinekant zijn de uitdagingen groot. Het droogproces stelt hogere eisen aan de walsmachines. De prestaties en productie-efficiëntie van de kalandermachine, als kernonderdeel van de apparatuur, zijn cruciaal voor de haalbaarheid van het droogproces voor massaproductie.

TOB NIEUWE ENERGIE werkt actief aan het aanpakken van deze uitdagingen, met als doel het bindmiddelgehalte in de negatieve elektrode te beperken tot 0,7% en in de positieve elektrode tot minder dan 1,5% om efficiëntere en goedkopere filmvorming te realiseren.

05. Apparatuurinnovatie: De cruciale drijvende kracht achter de implementatie van het droge proces

Apparatuur speelt doorgaans een voortrekkersrol bij de industrialisatie van solid-state batterijen. Op het gebied van droge filmvorming is innovatie in apparatuur de belangrijkste drijfveer voor technologische implementatie.

• Apparatuur voor het front-endproces: Dit vertegenwoordigt circa 32% van de totale waarde van de productielijn, inclusief de kernapparatuur voor zeer efficiënt mengen, materiaalverspreiding, coating en hogesnelheidsbehandeling.

• Procesapparatuur voor het midden- en eindproces: Dit onderdeel vertegenwoordigt ongeveer 45% van de waarde van de lijn, met als belangrijkste componenten de zeer efficiënte stapelmachine (25% van de waarde van de lijn) en de horizontale isostatische persen (13% van de waarde van de lijn), die het gehele proces van vormgeving tot verdichting bestrijken.

• Apparatuur voor het back-endproces: Dit vertegenwoordigt circa 23% van de waarde van de productlijn, inclusief uitgebreide droogpoedertesters en horizontale hogetemperatuurarmaturen voor geïntegreerde solid-state batterijkasten, waarmee hoogspanningsvorming, capaciteitsclassificatie en assemblage mogelijk worden.

06. TOB NEW ENERGY: Het leveren van totaaloplossingen, van laboratorium tot massaproductie

Het bespreken van de industrialisatiemogelijkheden en -uitdagingen van droge filmvormingstechnologie. TOB NIEUWE ENERGIE Het bedrijf maakt gebruik van jarenlange technische expertise in de batterijproductie om klanten een complete oplossing te bieden, van laboratorium tot massaproductie.

Oplossingen voor droge elektrodelijnen op laboratoriumschaal

Wij bieden een compleet pakket aan op maat gemaakte apparatuur en diensten voor experimentele opstellingen met droge elektroden. Onze ontwikkelde Laboratoriumstraalmolen Het combineert miniaturisatie, intelligentie en hoge precisie, en is geschikt voor de bereiding van poeders van experimentele kwaliteit die nodig zijn voor de fibrillatie van droge elektrodematerialen voor lithiumbatterijen. Laboratoriummachine voor het vormen van droge elektrodenfilms Dit is een laboratoriumopstelling voor droge elektrodenonderzoek die gebruikt kan worden voor het proces van poeder-naar-filmvorming.

Oplossingen voor productie op pilotschaal

Wij bieden aan Machines voor het vormen van droge elektrodenfilms die voldoen aan diverse eisen van productielijnen, waaronder apparatuur voor massaproductie op GWh-niveau. Door nauwkeurige spanningsregeling en dikteaanpassing kunnen we droge elektrodeplaten produceren met een dikte van slechts 27 μm of zelfs dunner.

Oplossingen voor industriële massaproductie

Voor industriële massaproductie bieden wij complete productielijnoplossingen voor droge elektroden. Ons systeem omvat alle processen, waaronder regelbare toevoer, filmvorming, verdunning, samenstelling van de stroomcollector en kwaliteitscontrole. De productbreedte kan 1000 mm bereiken, met een diktebereik van 40-300 μm, en is compatibel met 2 tot 6 droge elektrodeplaten die parallel werken voor een zeer efficiënte productie.

Ons technische team heeft een diepgaande kennis van elk aspect van het droge filmvormingsproces en kan oplossingen op maat bieden voor procesoptimalisatie, gebaseerd op de specifieke materiaalsystemen van de klant (zoals grafiet/silicium-koolstof negatieve elektroden, ternaire/LFP positieve elektroden en diverse volledig vaste elektrodematerialen) en apparatuurbehoeften. Op het gebied van materialen ondersteunen we onze klanten met geavanceerde batterijmaterialen, waaronder gespecialiseerde bindmiddelen en gemodificeerde geleidende stoffen die geschikt zijn voor het droge proces, waardoor optimale compatibiliteit tussen materialen en proces wordt gegarandeerd.