Gestión de la Calidad de los Materiales del Cátodo de Baterías de Litio
El rendimiento de las baterías de iones de litio está estrechamente relacionado con la calidad de los materiales del cátodo.
El artículo aborda varios modos de fallo de los materiales del cátodo que afectan significativamente al rendimiento de las baterías de iones de litio, como la presencia de impurezas metálicas, exceso de humedad y poca consistencia en lotes. Explica el grave daño que estos modos de fallo pueden causar al rendimiento de las baterías y cómo prevenir estos fallos desde una perspectiva de gestión de la calidad. Esto proporciona una sólida garantía para prevenir problemas de calidad y mejorar la calidad de las baterías de iones de litio.
Como es ampliamente conocido, los materiales del cátodo son uno de los materiales clave en las baterías de iones de litio, y su rendimiento afecta directamente a diversos indicadores de rendimiento de estas baterías. Los materiales del cátodo comercializados actualmente para baterías de iones de litio incluyen óxido de litio y cobalto, óxido de litio y manganeso, fosfato de hierro y litio, y materiales ternarios, entre otros.
En comparación con otros materiales crudos para baterías de iones de litio, la variedad de materiales del cátodo es más diversa y los procesos de producción son más complejos, lo que aumenta el riesgo de fallos de calidad. Por lo tanto, los requisitos de gestión de calidad son más altos.
Este artículo analiza los modos de fallo comunes de los materiales del cátodo para baterías de iones de litio y las medidas preventivas correspondientes desde la perspectiva de los usuarios de materiales.
1. Presencia de Impurezas Metálicas en los Materiales del Cátodo
Cuando existen impurezas metálicas como hierro (Fe), cobre (Cu), cromo (Cr), níquel (Ni), zinc (Zn), plata (Ag), etc., en los materiales del cátodo, durante la etapa de formación de la batería, cuando el voltaje alcanza el potencial de oxidación-reducción de estos elementos metálicos, estos experimentarán oxidación en el cátodo antes de ser reducidos en el ánodo.
Cuando la sustancia metálica acumulada en el ánodo alcanza un cierto nivel, sus bordes afilados pueden penetrar el separador, lo que conduce a la auto-descarga de la batería.
La auto-descarga tiene un efecto perjudicial en las baterías de iones de litio, por lo que es especialmente importante prevenir la introducción de impurezas metálicas en la fuente.
La producción de materiales de cátodo implica múltiples procesos, y en cada etapa de fabricación existe el riesgo de introducir impurezas metálicas.
Esto plantea mayores exigencias en cuanto al nivel de automatización de equipos y la gestión de calidad en el lugar para los proveedores de materiales. Sin embargo, debido a limitaciones de costos, los proveedores de materiales a menudo tienen niveles más bajos de automatización de equipos, y existen muchos puntos de quiebre en el proceso de producción, lo que aumenta los riesgos incontrolables.
Por lo tanto, para garantizar un rendimiento estable de las baterías y prevenir la auto-descarga, los fabricantes de baterías deben alentar a los proveedores de materiales a prevenir la introducción de impurezas metálicas desde cinco aspectos principales: personal, maquinaria, materiales, métodos y el entorno.
Medidas para Prevenir la Introducción de Impurezas Metálicas
* Control de Personal
Comenzando con el control de personal, se debe prohibir a los empleados llevar impurezas metálicas al taller.
Deben abstenerse de llevar joyas y deben usar uniformes de trabajo, zapatos de trabajo y guantes al ingresar al taller para evitar el contacto con impurezas metálicas antes de manipular los materiales en polvo.
Es esencial establecer un mecanismo de supervisión e inspección, cultivar la conciencia de calidad de los empleados y hacer que cumplan conscientemente y mantengan el entorno del taller.
* Gestión e Inspección de Equipos de Producción
Los equipos de producción son un área clave donde se pueden introducir impurezas.
Esto incluye componentes de equipos y herramientas que entran en contacto con materiales que presentan óxido o desgaste inherente del material.
Además, los componentes de equipos y herramientas que no están en contacto directo con los materiales pueden acumular polvo, que debido al flujo de aire del taller, puede flotar en los materiales.
Dependiendo de la gravedad del problema, se pueden tomar diferentes enfoques, como la pintura, la sustitución por revestimientos no metálicos (plástico, cerámica) o el recubrimiento de los componentes metálicos expuestos.
Los gerentes también deben establecer reglas y regulaciones correspondientes que especifiquen cómo gestionar las impurezas metálicas, crear listas de verificación de inspección y requerir que los empleados realicen inspecciones regulares para prevenir posibles problemas.
* Inspección de Calidad de Materias Primas
Las materias primas son la fuente directa de impurezas metálicas en los materiales del electrodo positivo.
Se deben establecer especificaciones para el contenido de impurezas metálicas en las materias primas compradas, y se deben realizar inspecciones estrictas a su llegada para asegurarse de que el contenido se encuentre dentro del rango especificado.
Si el contenido de impurezas metálicas de las materias primas excede el estándar, resulta difícil eliminarlas en procesos posteriores.
* Uso de Removedores de Hierro Electromagnéticos
Para eliminar las impurezas metálicas, la remoción de hierro electromagnética se ha convertido en un proceso esencial en la producción de materiales de electrodo positivo.
Los removedores de hierro electromagnéticos se utilizan ampliamente; sin embargo, este equipo no funciona en metales no magnéticos como el cobre y el zinc.
Por lo tanto, los talleres deben evitar el uso de componentes de cobre y zinc, y si es necesario, deben tratar de evitar el contacto directo con los materiales en polvo o su exposición al aire.
Además, la ubicación de la instalación, el número de instalaciones y la configuración de parámetros de los removedores de hierro electromagnéticos también tienen algún impacto en su efectividad.
* Garantía Ambiental del Taller
Para asegurar el ambiente del taller y mantener la presión positiva en el taller, es necesario establecer puertas dobles y puertas de ducha de aire para evitar que el polvo externo ingrese al taller y contamine los materiales.
Al mismo tiempo, el equipo del taller y las estructuras de acero deben protegerse del óxido, y el piso debe ser pintado y desmagnetizado regularmente.
2. Exceso de Humedad en los Materiales del Electrodo Positivo
Los materiales del electrodo positivo están compuestos en su mayoría por partículas de tamaño micrométrico o nanométrico, lo que los hace altamente susceptibles a la absorción de humedad del aire, especialmente en el caso de materiales ternarios con alto contenido de níquel (Ni).
Al preparar la suspensión del electrodo positivo, si el material del electrodo positivo tiene un alto contenido de humedad, la absorción de agua por parte del NMP durante el proceso de mezcla de la suspensión puede llevar a una reducción en la solubilidad del PVDF, lo que provoca que la suspensión se convierta en una sustancia gelatinosa similar a la gelatina, lo que afecta el rendimiento del procesamiento. Después de fabricar la batería, su capacidad, resistencia interna, rendimiento de ciclado y capacidad de tasa se ven afectados.
Por lo tanto, el contenido de humedad en los materiales del electrodo positivo, al igual que las impurezas metálicas, debe ser un enfoque clave para el control.
Medidas Tomadas por los Proveedores de Materiales para Controlar la Humedad en los Materiales del Electrodo Positivo
* Aumentar la Automatización del Equipo
Cuanto mayor sea el nivel de automatización del equipo de la línea de producción, menor será el tiempo de exposición del polvo al aire, lo que resulta en una menor absorción de humedad.
Fomentar que los proveedores de materiales mejoren el nivel de automatización del equipo, como implementar el transporte completo mediante tuberías, monitorear los puntos de rocío de las tuberías e instalar robots para la carga y descarga automáticas, contribuye significativamente a prevenir la absorción de humedad.
Sin embargo, algunos proveedores de materiales pueden estar limitados por el diseño de la fábrica o las presiones de costos, lo que resulta en niveles más bajos de automatización del equipo y más interrupciones en el proceso de fabricación. En tales casos, es necesario un estricto control sobre el tiempo de exposición del polvo, y el polvo durante el proceso de transferencia es mejor almacenarlo en contenedores llenos de nitrógeno.
* Control estrictamente la temperatura y la humedad en el taller de producción
La temperatura y la humedad en el taller de producción también son parámetros de control clave, y teóricamente, un punto de rocío más bajo es más favorable.
La mayoría de los proveedores de materiales prestan mucha atención al control de la humedad después del proceso de sinterización. Consideran que una temperatura de sinterización de alrededor de 1000 grados puede eliminar la mayor parte de la humedad del polvo. Siempre y cuando se controle estrictamente la introducción de humedad desde el proceso de sinterización hasta la etapa de empaque, es posible garantizar que el contenido de humedad del material no exceda los límites especificados.
Sin embargo, esto no significa que el control de la humedad antes del proceso de sinterización sea innecesario, ya que la introducción excesiva de humedad en procesos anteriores puede afectar la eficiencia de la sinterización y la microestructura del material.
Además, el método de empaque también es importante, y la mayoría de los proveedores de materiales utilizan bolsas de aluminio-plástico con sellado al vacío, que actualmente se considera el método más rentable.
* Considerar las características de absorción de humedad de los materiales
Los diferentes diseños de materiales pueden resultar en diferencias significativas en la absorción de humedad, como variaciones en los materiales de revestimiento y áreas de superficie específicas.
Aunque algunos proveedores de materiales evitan que la humedad entre durante el proceso de fabricación, ciertos materiales tienen una tendencia inherente a absorber la humedad. Después de fabricar las láminas de electrodos, resulta extremadamente difícil eliminar la humedad, lo que plantea desafíos para los fabricantes de baterías.
Por lo tanto, al desarrollar nuevos materiales, es esencial considerar las características de absorción de humedad y aspirar a crear materiales más universalmente aplicables. Esto beneficia tanto a los proveedores como a los consumidores.
3. Escasa Consistencia Entre Lotes de Materiales del Electrodo Positivo
Para los fabricantes de baterías, cuanto menores sean las diferencias entre lotes de materiales del electrodo positivo y mejor sea la consistencia, más estable será el rendimiento de las baterías terminadas.
Es ampliamente conocido que una de las principales desventajas de los materiales del electrodo positivo de fosfato de hierro y litio es su escasa consistencia entre lotes. Durante la preparación de la suspensión, las significativas variaciones de lote a lote a menudo conducen a una viscosidad y contenido sólido inestables en cada lote de suspensión, lo que ocasiona dificultades para los usuarios que necesitan ajustar continuamente sus procesos para adaptarse a estas variaciones.
Mejorar el nivel de automatización del equipo de producción es el principal medio para mejorar la estabilidad de los lotes de materiales de fosfato de hierro y litio.
Sin embargo, el nivel actual de automatización en los proveedores de materiales de fosfato de hierro y litio suele ser bajo, y sus capacidades tecnológicas y gestión de calidad no son elevadas. Esto resulta en grados variables de inestabilidad entre lotes en los materiales que proporcionan.
Desde la perspectiva del usuario, si las diferencias entre lotes no se pueden eliminar, el escenario ideal es tener tamaños de lote más grandes, siempre que los materiales dentro del mismo lote sean uniformemente estables.
Por lo tanto, para cumplir con este requisito, los proveedores de materiales de hierro-litio a menudo añaden un proceso adicional de mezcla después de producir el producto terminado. Esto implica mezclar uniformemente materiales de varios lotes.
Cuanto mayor sea el volumen del recipiente de mezcla, más material puede contener, lo que resulta en una producción de lotes más grande.
Parámetros como el tamaño de partícula, el área superficial específica, el contenido de humedad y el valor de pH de los materiales de hierro-litio pueden afectar la viscosidad de la suspensión. Aunque estos parámetros a menudo se controlan estrictamente dentro de ciertos rangos, todavía pueden ocurrir variaciones en la viscosidad de la suspensión entre lotes.
Para evitar anomalías durante el uso de los lotes, una práctica común es preparar una suspensión para realizar pruebas de viscosidad utilizando una fórmula de producción simulada antes de la producción real. Una vez que cumple con los requisitos, puede utilizarse.
Sin embargo, si los fabricantes de baterías realizan estas pruebas antes de cada ciclo de producción, reduciría significativamente la eficiencia de la producción. Por lo tanto, esta etapa de prueba se traslada a los proveedores de materiales, a quienes se les exige realizar pruebas y garantizar el cumplimiento antes del envío.
Por supuesto, con los avances tecnológicos y las mejoras en las capacidades de procesamiento de los proveedores de materiales, la variabilidad de las propiedades de los materiales se ha reducido significativamente. Como resultado, a menudo se puede eliminar la etapa de prueba de viscosidad antes del envío.
Además de las medidas mencionadas anteriormente para mejorar la consistencia, también debemos utilizar herramientas de calidad para minimizar las inconsistencias entre lotes y prevenir problemas de calidad. Esto se puede abordar principalmente de las siguientes maneras.
(1) Establecimiento de Procedimientos de Operación.
La calidad inherente de un producto no solo se diseña, sino que también se fabrica.
Por lo tanto, la forma en que los operadores realizan sus tareas es crucial para controlar la calidad del producto. Deben establecerse estándares operativos detallados y específicos.
(2) Identificación de CTQ (Crítico para la Calidad).
Identificar los indicadores clave y los procesos clave que afectan la calidad del producto. Debe aplicarse un monitoreo especial a estos indicadores críticos de control y desarrollar medidas de respuesta de emergencia correspondientes.
La ruta para producir fosfato de hierro y litio es actualmente la más común para la preparación de materiales de fosfato de hierro y litio. El proceso incluye dosificación, molienda de bolas, sinterización, trituración, empaque y más.
El proceso de molienda de bolas debe ser gestionado como un proceso crítico, porque si no se controla bien la consistencia de la distribución del tamaño de partícula después de la molienda de bolas, puede afectar la consistencia del tamaño de partícula del producto final, lo que a su vez impacta la consistencia por lotes.
(3) Uso de SPC (Control Estadístico de Procesos).
Implementar el monitoreo en tiempo real de parámetros característicos clave para procesos críticos utilizando SPC.
Analizar los puntos de datos atípicos para identificar las causas de la inestabilidad, tomar acciones correctivas y preventivas efectivas y evitar que los productos defectuosos lleguen a los clientes.
4. Otros Problemas de Calidad
Durante el proceso de elaboración de la suspensión, el material del electrodo positivo se mezcla con solventes, aglutinantes y agentes conductores en una proporción determinada dentro del tanque de suspensión. Luego se descarga a través de una tubería con un filtro instalado en la salida.
El propósito del filtro es interceptar partículas grandes y sustancias extrañas en el material del electrodo positivo para garantizar la calidad del recubrimiento.
Si el material del electrodo positivo contiene partículas grandes, puede provocar la obstrucción del filtro. Si la composición de estas partículas grandes sigue siendo el propio material del electrodo positivo y solo afecta la eficiencia de producción, es posible que no tenga un impacto significativo en el rendimiento de la batería, lo que resulta en una pérdida relativamente pequeña.
Sin embargo, si estas partículas grandes contienen componentes inciertos, como otras impurezas metálicas, es posible que toda la suspensión producida deba desecharse, lo que conlleva pérdidas significativas.
La aparición de tales anomalías debe atribuirse a problemas de gestión de calidad dentro del proveedor de materiales. La mayoría de los procesos de producción de materiales de electrodo positivo incluyen un paso de tamizado. Factores como el estado del tamiz, la inspección y sustitución oportuna, las medidas para prevenir daños en el tamiz y si se verifican partículas grandes durante la inspección en fábrica requieren una mayor mejora.
