Comprendre le comportement des poudres dans la fabrication des batteries

par Ai Kano, Thursday, 4th February 2021

※Cet article est une révision pour le public japonais des documents AP113 de Freeman Technology※
 

La relation entre batteries, boues et poudres

 
Les batteries au lithium-ion (Li-ion) sont utilisées comme batteries rechargeables dans une variété d’applications telles que l’électronique grand public, les outils électriques, les véhicules automobiles et l’industrie aérospatiale, car elles ont une haute densité énergétique, une tolérance à l’autodécharge, et un effet mémoire très réduit.
Figure : Étapes typiques du processus de fabrication des batteries lithium-ion
Les différentes étapes du processus dépendent fortement de la qualité de la boue formée au début du procédé. Les caractéristiques de la boue dépendent des propriétés de la poudre mélangée avec le liant et le solvant, ainsi que de son comportement lors du processus de mélange.
Pour garantir la performance optimale du processus et un produit final de haute qualité, il est nécessaire de satisfaire à des critères essentiels tels que la teneur en fines, la viscosité et les solides dans l’état de boue. En particulier, l’uniformité des solides affecte l’efficacité de la couverture du substrat à partir de la boue. Par conséquent, il est important de ne pas agglomérer la poudre lors du processus de mélange et de dispersion.
 

Évaluation des propriétés des poudres liées au processus

 
Les propriétés d’écoulement des poudres sont des facteurs déterminants pour la performance du mélange et de la dispersion dans la formation de la boue, et affectent des caractéristiques telles que le comportement d’écoulement et l’agglomération. Les données suivantes montrent comment les propriétés mesurées à l’aide du rhéomètre à poudre FT4® sont en corrélation avec le traitement dans le processus de fabrication des batteries Li-ion.
 
Trois lots de LiFePO4 provenant de fournisseurs différents ont été utilisés pour fabriquer des anodes. Le lot 1 a permis de générer une boue homogène, tandis que les lots 2 et 3 manquaient d’uniformité, provoquant des blocages allant jusqu’à l’arrêt du système et des produits hors spécifications.
Le matériel en poudre analysé à ce moment est montré ci-dessus. SE quantifie le degré d’emboîtement physique et de friction entre les particules. La faible valeur SE du lot 1 suggère qu’il est possible de disperser les particules de manière plus libre, réduisant ainsi les risques d’agglomération par association.
L’aération de la poudre a également été vérifiée.
 
La perméabilité décrit la capacité d’une poudre à libérer ou à retenir l’air qui s’est infiltré. L’augmentation de la pression différentielle enregistrée pour le lot 1 indique une diminution de la perméabilité, probablement due au fait que la couche de poudre a été remplie de manière plus efficace. En général, plus la structure de remplissage est régulière, plus une poudre s’écoule librement, permettant une dispersion plus libre et uniforme. De plus, une faible force d’adhésion réduit le risque d’agglomération.
Ces résultats suggèrent qu’une poudre avec un faible emboîtement physique et une faible perméabilité est utile pour créer une boue homogène pour la fabrication des anodes dans la production de batteries Li-ion. L’approche multivariée du rhéomètre à poudre FT4 permet de quantifier ces propriétés précisément, assurant une définition appropriée des spécifications de la poudre.
 
Rhéomètre à poudre FT4

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