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バッテリー生産–バッテリースラリー混合およびコーティングラインの密度と粘度の品質管理

バッテリー製造-生産-最適化-スラリー-粘度

序言

リチウム電池は、安全性と信頼性を備えた現代生活の必需品と快適さの両方を維持します。 家電製品、電気自動車(EV)電源、太陽光発電、UPS、遠隔地の警報システム、モビリティ機器、ポータブルパワーパックなど、現実世界のアプリケーションの長いリストがあります。 現在、このバッテリー技術は、道路輸送と再生可能エネルギーのエネルギー貯蔵に革命をもたらす寸前です。 バッテリーの性能と寿命は、電気自動車と固定電気エネルギー貯蔵システムのボトルネックとなっており、市場に浸透しています。 一つのことはすでに完全に明確です:目標の特性を達成し、品質を維持するために、バッテリー製造操作全体のプロセスを最適化する必要があります。

ノースボルト-Ett-2000
バッテリーGigaFactory| NorthVolt AB

バッテリー生産者の目標

持続可能性–エネルギーと原材料の消費量の削減

バッテリーメーカーは、環境フットプリントを可能な限り削減することを目指しています。 クリーンエネルギーを使用してバッテリーセル製造に電力を供給する循環製造アプローチ、および原材料の慎重な調達が必要です。

使用済みバッテリーをリサイクルし、材料をリサイクルして製造に戻し、「ループを閉じる」方法を探している人もいます。

安定した競争力のある生産プロセス

すべてのバッテリーソリューションには、セルが「最小公分母」として含まれています。 大容量の場合、バッテリーは直列および並列に接続された多数の小さなセルで構成されます。 バッテリー製造の世界では、これは特に当てはまります。最も弱いセルよりも強力なバッテリーパックはありません。

最良のセルと最悪のセルのサイクル寿命と品質には大きな違いがあります。 製造プロセスを繰り返し安定化することにより、要求の厳しいアプリケーションでのバッテリーソリューションはより高品質になります。

生産能力の向上

CATL、パナソニック、LG化学、サムスンSDI、SKイノベーションなどの大手バッテリーメーカーは、世界の自動車OEMからの注文を獲得するために戦っています。 そうすることで、彼らはお互いに優れた刺激を提供しています。 世界の自動車販売台数のEV部分が大きく見え始めて以来、生産能力の拡大は急激に加速しています。 累積容量は129年末に2018GWhに達した。CounterpointResearchによると、EVの累積バッテリー生産能力は、主にトッププレーヤーの拡大により、800年までに2025GWh近くまで増加すると予想されている。
バッテリーギガファクトリー
ヨーロッパのバッテリーGigaFactories

ヨーロッパのバッテリーGigaFactories| https://www.orovel.net/insights/li-on-battery-gigafactories-in-europe-june-2020

バッテリー生産

セルの組み立ての最初のステップは、活物質、導電性材料、およびポリマーバインダーを溶媒中に含む懸濁液を銅フィルムまたはアルミニウムフィルムに堆積させることです(スラリーの準備とコーティング)。 これに続いて、電極の乾燥、カレンダー、およびサイジングが行われます。 望ましい電気化学的性能を実現するには、電池電極の多段階製造プロセスを厳密に制御する必要があります。 スラリーは非常に複雑な懸濁液システムであり、高粘度の媒体にさまざまな化学物質、サイズ、形状の固体粒子が多数含まれています。 均一性を保つには、スラリーを完全に混合することが不可欠です。 スラリーのレオロジー特性は、完成した電極に影響を与えるスラリーの安定性、混合の容易さ、コーティング性能などの重要な属性に影響を与えます。 組成と適用される処理条件は、結果として生じる懸濁液のレオロジーに影響を与える可能性があります。 密度と粘度は、流動特性を定量化し、サンプル内の構造の程度と、固体または液体のような挙動が支配的な程度を特徴づけます。 電極製造工程では、工程内成分の粘度が特に重要であり、コーティングなどの電池製造工程で重要な役割を果たします。 ポリマーバインダー溶液の粘度は、コーティング性能に影響を与えます。 それは、粉末がその中に分散する容易さ、混合に必要な力、および均一なコーティングの適用速度に影響を及ぼします。 多孔質電極理論(PET)は、実験によって検証された、リチウムイオン電池セルの全体的な性能に対する正極密度の関連性を示唆しています。 正極密度が高いセルは、低電流レートでわずかに高い放電容量を示しますが、高電流レートでは、正極密度が低いセルはより優れた性能を示します。

電池製造プロセスのステップ

バッテリー製造のステップ

MediumのBatteryBits| https://medium.com/batterybits/battery-manufacturing-basics-from-catls-cell-production-line-part-1-d6bb6aa0b499

問題文

スラリーの物理的特性を決定するスラリー成分とその状態の分散は、リチウムイオン電池を製造するための混合およびコーティングプロセスの設計と開発において重要です。

  • リチウムイオン電池(LIB)電極スラリーの従来の生産方法は、バッチまたは準連続プロセスに基づいています。
  • 連続混合プロセスは、すべての液体および固体成分の制御された投与と、液相中の固体粒子のミクロ分布から成ります。

セルの化学的性質が敏感なため、時間とコストを節約することはできませんが、品質は非常に高く維持する必要があります。 密度と粘度を制御してバッチプロセスを最適化すると、一貫性、品質、および材料コストの大幅な節約が保証されます。 プロセス制御と連続混合プロセスのトレーサビリティは、密度と粘度のインライン監視と制御により改善できます。 インライン統合によってサポートされる自動化により、生産ライン全体のすべてのプロセスを最適化して、増加する需要に対応するためのバッテリー製造を高速化できます。

プロセスの課題

重要な電極スラリーパラメータの監視と制御–密度と粘度は、高性能電極の開発と製造、およびその製造に非常に関連しています。 主な理由:

  • スラリーの混合中、不必要な攪拌は時間とともに劣化し、内部構造を劣化させます。 目標は、粒子の崩壊なしに、最大の均質性で成分の完全な混合を達成することです。 密度制御により、正しい材料組成と構成成分の割合が保証され、粘度制御により、スラリー調製プロセスの一貫性が保証されます。
  • 高粘度のスラリーはコーティングプロセスで問題を引き起こし、分散性が低いとフィルムの均一性が低下します。 コーティングの厚さと層の密度の均一性は、バッテリーの寿命(再充電サイクル時間)とイオン移動速度の制御を保証するために重要ですが、層の厚さを調整することで、より小さなバッテリーを作成できます。 均一なコーティング厚と最小のコーティング厚偏差を達成するには、粘度制御が不可欠です。
  • バッテリースラリーの粘度が高いほど、放置時の沈降に対する耐性が向上し、コーティング上により厚い電極膜が形成されます。 また、粘度が高いと、コーティングプロセスの制御が難しくなり、コーティングの不規則性や層密度の変動が発生する可能性があり、その結果、イオン移動速度が変動し、その結果、予測できないバッテリー寿命時間(および予測できない再充電サイクル時間)が生じます。
  • 電極密度は、リチウムイオン電池のサイクル性能と不可逆的な容量損失に影響を与えます。 予定表作成プロセスの要件に基づいて、適切な範囲内で監視および制御する必要があります。

レオニクスの命題

自動インライン粘度測定および制御は、バッテリー製造プロセスのスラリー調製およびコーティングおよび乾燥段階で電極スラリーパラメーターを制御するために重要ですが、バッテリー性能を向上させるには、カレンダー段階で電極密度を厳密に監視する必要があります。 レオニクスは、多段階電池製造プロセスのプロセス制御と最適化のために以下のソリューションを提供します:

  1. 列をなして 測定値: レオニクスのSRV は、内蔵の流体温度測定機能を備えた広範囲のインライン粘度測定デバイスであり、任意のプロセスストリーム内の粘度変化をリアルタイムで検出できます。
  2. 列をなして 粘度と密度 測定値: レオニクスのSRD は、内蔵の流体温度測定機能を備えたインライン同時密度および粘度測定装置です。 密度測定が業務にとって重要な場合、SRDは正確な密度測定とともにSRVと同様の運用機能を備え、ニーズに応える最適なセンサーです。
バッテリー生産の最適化

レオニクスの利点

コンパクトなフォームファクター

RheonicsのSRVおよびSRDのフォームファクターは非常に小さく、OEMおよびレトロフィットの簡単なインストールが可能です。 これにより、あらゆるプロセスストリームに簡単に統合できます。

圧力低下なし プロセスライン

レオニクスのSRVおよびSRDにより、プロセスラインでの圧力降下はわずかです。 粘度と密度の測定は、ニュートン流体および非ニュートン流体、単相および多相流体で非常に正確で再現性があります。

 

取り付け条件の影響を受けない:あらゆる構成が可能

Rheonics SRVおよびSRDは独自の特許取得済み同軸共振器を使用します。センサーの両端が反対方向にねじれ、取り付け時の反力トルクを相殺するため、取り付け条件に完全に影響されません。

 

正確で高速かつ信頼性の高い測定

洗練された特許取得済みの3rd世代の電子機器がこれらのセンサーを駆動し、その応答を評価します。 超高速で堅牢な電子機器と包括的な計算モデルを組み合わせることで、Rheonicsデバイスは業界で最も高速で正確なデバイスの1つになります。 SRVとSRDは、リアルタイムで正確な粘度(およびSRDの密度)を1秒ごとに測定し、流量の変動の影響を受けません!

 

優れたセンサー設計と技術

RheonicsのSRDおよびSRVのフォームファクターは非常に小さく、OEMおよび後付けの簡単なインストールに対応しています。 これにより、あらゆるプロセスストリームに簡単に統合できます。 掃除が簡単で、メンテナンスや再構成が不要で、産業用通信システムと完全に互換性があります。 両方のセンサーは、¾” NPTや1”トライクランプなどの業界標準のプロセス接続で利用でき、オペレーターはプロセスラインの既存の温度センサーをSRVまたはSRDに置き換えることができます。組み込みPt1000を使用した温度の測定(DIN EN 60751クラスAA、A、Bが利用可能)。

 

SRD:単一の機器、トリプル機能

RheonicsのSRDは、粘度、密度、温度測定用の3つの異なる機器に代わるユニークな製品です。 3つの異なる機器を同じ場所に配置することの困難さを排除し、最も過酷な条件でも非常に正確で再現性のある測定を実現します。

 

ニーズに合わせて構築された電子機器

防爆型トランスミッターハウジングと小型フォームファクターのDINレールマウントの両方で利用可能なセンサー電子機器は、プロセスパイプラインおよび機械の機器キャビネット内に簡単に統合できます。

 

統合が容易

センサーエレクトロニクスに実装された複数のアナログおよびデジタル通信方法により、産業用PLCおよび制御システムへの接続が簡単かつ簡単になります。

 

ATEXおよびIECExコンプライアンス

Rheonicsは、危険な環境での使用向けにATEXおよびIECExによって認定された本質的に安全なセンサーを提供します。 これらのセンサーは、爆発の可能性のある雰囲気での使用を目的とした機器および保護システムの設計と構築に関連する基本的な健康および安全要件に準拠しています。

また、Rheonicsが保有する本質的に安全で防爆の認証により、既存のセンサーをカスタマイズできるため、お客様は代替品の特定とテストに関連する時間とコストを回避できます。 カスタムセンサーは、1ユニットから最大数千ユニットを必要とするアプリケーションに提供できます。 数週間対数週間のリードタイムで。

レオニクス SRV & SRD ATEXとIECExの両方の認定を受けています。

ATEX(2014 / 34 / EU)認定

RheonicsのATEX認定の本質安全防爆センサーはATEX指令2014/34 / EUに準拠しており、Exiaの本質安全防爆の認定を受けています。 ATEX指令は、危険な雰囲気で雇用されている労働者を保護するための健康と安全に関連する最小かつ必須の要件を指定しています。

RheonicsのATEX認定センサーは、ヨーロッパ内および国際的な使用が認められています。 すべてのATEX認定部品には、準拠を示すために「CE」のマークが付いています。

IECEx認定

レオニックスの本質的に安全なセンサーは、爆発性雰囲気で使用する機器に関連する規格の認証について、国際電気標準会議であるIECExによって認証されています。

これは、危険な領域で使用するための安全性コンプライアンスを保証する国際的な認証です。 レオニクスセンサーは、Ex iの本質的な安全性の認定を受けています。

製品の導入

プロセスストリームにセンサーを直接インストールして、リアルタイムの粘度と密度の測定を行います。 バイパスラインは不要です。センサーをインラインに浸すことができ、流量と振動は測定の安定性と精度に影響しません。 流体に対して繰り返し、連続した一貫したテストを提供することにより、混合性能を最適化します。

電極製造プロセスにおけるレオニクスのソリューション統合

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アプリケーションの推奨製品

•広い粘度範囲–プロセス全体を監視します
•ニュートン流体と非ニュートン流体の両方、単相および多相流体の繰り返し測定
•すべての金属(316Lステンレス鋼)構造
•組み込みの流体温度測定
•既存のプロセスラインに簡単にインストールできるコンパクトなフォームファクター
•清掃が簡単で、メンテナンスや再構成が不要

•プロセス密度、粘度、温度測定用の単一機器
•ニュートン流体と非ニュートン流体の両方、単相および多相流体の繰り返し測定
•すべての金属(316Lステンレス鋼)構造
•組み込みの流体温度測定
•既存のパイプに簡単に設置できるコンパクトなフォームファクター
•清掃が簡単で、メンテナンスや再構成が不要

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