लिथियम बैटरी उत्पादन में फ्रंट-एंड प्रक्रिया

लिथियम-आयन बैटरियों के अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। अनुप्रयोग क्षेत्रों के वर्गीकरण के अनुसार, इन्हें ऊर्जा भंडारण बैटरी, पावर बैटरी और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स बैटरी में विभाजित किया जा सकता है।

• ऊर्जा भंडारण के लिए बैटरी में संचार ऊर्जा भंडारण, बिजली ऊर्जा भंडारण, वितरित ऊर्जा प्रणालियां आदि शामिल हैं;
• पावर बैटरी मुख्य रूप से बिजली के क्षेत्र में उपयोग की जाती है, नए ऊर्जा वाहनों, इलेक्ट्रिक फोर्कलिफ्ट आदि सहित बाजार की सेवा करती है;
• उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बैटरी उपभोक्ता और औद्योगिक क्षेत्र को कवर करती है, जिसमें स्मार्ट मीटरिंग, बुद्धिमान सुरक्षा, बुद्धिमान परिवहन, इंटरनेट ऑफ थिंग्स आदि शामिल हैं।

लिथियम-आयन बैटरी एक जटिल प्रणाली है, जो मुख्य रूप से एनोड, कैथोड, इलेक्ट्रोलाइट, विभाजक, धारा संग्राहक, बाइंडर, प्रवाहकीय एजेंट आदि से बनी होती है, जिसमें एनोड और कैथोड की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया, लिथियम आयन चालन और इलेक्ट्रॉनिक चालन, साथ ही ऊष्मा प्रसार सहित अन्य प्रतिक्रियाएं शामिल होती हैं।

लिथियम बैटरी की उत्पादन प्रक्रिया अपेक्षाकृत लंबी है, और इस प्रक्रिया में 50 से अधिक प्रक्रियाएं शामिल हैं।

लिथियम बैटरियों को उनके आकार के अनुसार बेलनाकार बैटरियों, वर्गाकार एल्युमीनियम शेल बैटरियों, पाउच बैटरियों और ब्लेड बैटरियों में विभाजित किया जा सकता है। इनकी उत्पादन प्रक्रिया में कुछ अंतर होते हैं, लेकिन कुल मिलाकर लिथियम बैटरी निर्माण प्रक्रिया को फ्रंट-एंड प्रक्रिया (इलेक्ट्रोड निर्माण), मध्य-चरण प्रक्रिया (सेल संश्लेषण), और बैक-एंड प्रक्रिया (निर्माण और पैकेजिंग) में विभाजित किया जा सकता है।

इस लेख में लिथियम बैटरी निर्माण की फ्रंट-एंड प्रक्रिया का परिचय दिया जाएगा।

फ्रंट-एंड प्रक्रिया का उत्पादन लक्ष्य इलेक्ट्रोड (एनोड और कैथोड) का निर्माण पूरा करना है। इसकी मुख्य प्रक्रियाओं में शामिल हैं: स्लरी/मिश्रण, कोटिंग, कैलेंडरिंग, स्लिटिंग और डाई कटिंग।

घोल/मिश्रण

स्लरी/मिश्रण में एनोड और कैथोड की ठोस बैटरी सामग्री को समान रूप से मिलाना और फिर घोल बनाने के लिए विलायक मिलाना शामिल है। स्लरी मिश्रण, लाइन के अगले सिरे का प्रारंभिक बिंदु है और बाद की कोटिंग, कैलेंडरिंग और अन्य प्रक्रियाओं के पूरा होने की प्रस्तावना है।

लिथियम बैटरी घोल को धनात्मक इलेक्ट्रोड घोल और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड घोल में विभाजित किया जाता है। सक्रिय पदार्थ, सुचालक कार्बन, गाढ़ापन, बाइंडर, योजक, विलायक आदि को मिक्सर में अनुपात में डालें। मिश्रण करने से, कोटिंग के लिए ठोस-द्रव निलंबन घोल का एक समान फैलाव प्राप्त होता है।

उच्च गुणवत्ता वाला मिश्रण बाद की प्रक्रिया के उच्च गुणवत्ता वाले समापन का आधार है, जो प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन और विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को प्रभावित करेगा।

कलई करना

लेपन, एल्युमीनियम और तांबे की पन्नी पर क्रमशः धनात्मक सक्रिय पदार्थ और ऋणात्मक सक्रिय पदार्थ की परत चढ़ाने और उन्हें चालक पदार्थों और बाइंडर के साथ मिलाकर इलेक्ट्रोड शीट बनाने की प्रक्रिया है। फिर विलायकों को ओवन में सुखाकर हटा दिया जाता है ताकि ठोस पदार्थ सब्सट्रेट से जुड़कर धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड शीट कॉइल बना सकें।

कैथोड और एनोड कोटिंग

कैथोड सामग्री: तीन प्रकार की सामग्री होती हैं: लेमिनेटेड संरचना, स्पिनल संरचना और ओलिवाइन संरचना, जो क्रमशः त्रिगुणात्मक सामग्रियों (और लिथियम कोबाल्टेट), लिथियम मैंगनेट (LiMn2O4) और लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO4) के अनुरूप होती हैं।

एनोड सामग्री: वर्तमान में, वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरियों में प्रयुक्त एनोड सामग्रियों में मुख्य रूप से कार्बन सामग्री और गैर-कार्बन सामग्री शामिल हैं। इनमें कार्बन सामग्री में ग्रेफाइट एनोड (वर्तमान में सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला) और अव्यवस्थित कार्बन एनोड, हार्ड कार्बन, सॉफ्ट कार्बन आदि शामिल हैं; गैर-कार्बन सामग्री में सिलिकॉन-आधारित एनोड, लिथियम टाइटेनेट (LTO) आदि शामिल हैं।

फ्रंट-एंड प्रक्रिया की मुख्य कड़ी के रूप में, कोटिंग प्रक्रिया की निष्पादन गुणवत्ता तैयार बैटरी की स्थिरता, सुरक्षा और जीवन चक्र को गहराई से प्रभावित करती है।

कैलेंडरिंग

लेपित इलेक्ट्रोड को रोलर द्वारा और अधिक सघन किया जाता है, जिससे सक्रिय पदार्थ और संग्राहक एक-दूसरे के निकट संपर्क में आ जाते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों की गति दूरी कम हो जाती है, इलेक्ट्रोड की मोटाई कम हो जाती है और भार क्षमता बढ़ जाती है। साथ ही, यह बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को कम कर सकता है, चालकता बढ़ा सकता है, और बैटरी की आयतन उपयोग दर में सुधार कर सकता है जिससे बैटरी की क्षमता बढ़ जाती है।

कैलेंडरिंग प्रक्रिया के बाद इलेक्ट्रोड की समतलता, बाद की स्लिटिंग प्रक्रिया के प्रभाव को सीधे प्रभावित करेगी। इलेक्ट्रोड के सक्रिय पदार्थ की एकरूपता भी अप्रत्यक्ष रूप से सेल के प्रदर्शन को प्रभावित करेगी।

स्लिटिंग

स्लिटिंग एक विस्तृत इलेक्ट्रोड कुंडली को आवश्यक चौड़ाई के संकीर्ण टुकड़ों में लगातार अनुदैर्ध्य रूप से काटने की प्रक्रिया है। स्लिटिंग में, इलेक्ट्रोड पर अपरूपण क्रिया होती है और वह टूट जाता है। स्लिटिंग के बाद किनारे का समतल होना (बिना किसी गड़गड़ाहट और लचीलेपन के) प्रदर्शन की जाँच करने की कुंजी है।

इलेक्ट्रोड बनाने की प्रक्रिया में इलेक्ट्रोड टैब को वेल्ड करना, सुरक्षात्मक चिपकने वाला कागज़ लगाना, इलेक्ट्रोड टैब को लपेटना और बाद की वाइंडिंग प्रक्रिया के लिए इलेक्ट्रोड टैब को काटने के लिए लेज़र का उपयोग करना शामिल है। डाई-कटिंग में लेपित इलेक्ट्रोड को बाद की प्रक्रिया के लिए आकार देना और मुहर लगाना शामिल है।

लिथियम-आयन बैटरी सुरक्षा प्रदर्शन के लिए उच्च आवश्यकताओं के कारण, लिथियम बैटरी निर्माण प्रक्रिया में उपकरणों की सटीकता, स्थिरता और स्वचालन की अत्यधिक मांग होती है।

लिथियम इलेक्ट्रोड माप उपकरणों में अग्रणी के रूप में, दाचेंग प्रिसिजन ने लिथियम बैटरी निर्माण की फ्रंट-एंड प्रक्रिया में इलेक्ट्रोड माप के लिए उत्पादों की एक श्रृंखला शुरू की है, जैसे कि एक्स/β-रे एरियाल घनत्व गेज, सीडीएम मोटाई और एरियाल घनत्व गेज, लेजर मोटाई गेज आदि।

• सुपर एक्स-रे क्षेत्रीय घनत्व गेज

यह 1600 मिमी से ज़्यादा चौड़ी कोटिंग की माप के लिए अनुकूल है, अल्ट्रा-हाई-स्पीड स्कैनिंग को सपोर्ट करता है, और पतले क्षेत्रों, खरोंचों और सिरेमिक किनारों जैसी बारीक विशेषताओं का पता लगाता है। यह क्लोज़्ड-लूप कोटिंग में मदद कर सकता है।

•  एक्स/β-रे क्षेत्रीय घनत्व गेज

इसका उपयोग बैटरी इलेक्ट्रोड कोटिंग प्रक्रिया और विभाजक सिरेमिक कोटिंग प्रक्रिया में मापी गई वस्तु के क्षेत्रीय घनत्व का ऑनलाइन परीक्षण करने के लिए किया जाता है।

•  सीडीएम मोटाई और क्षेत्रीय घनत्व गेज

इसे कोटिंग प्रक्रिया पर लागू किया जा सकता है: इलेक्ट्रोड की विस्तृत विशेषताओं का ऑनलाइन पता लगाना, जैसे कि छूटी हुई कोटिंग, सामग्री की कमी, खरोंच, पतले क्षेत्रों की मोटाई की रूपरेखा, एटी9 मोटाई का पता लगाना, आदि;

•  बहु-फ्रेम तुल्यकालिक ट्रैकिंग माप प्रणाली

इसका उपयोग लिथियम बैटरियों के कैथोड और एनोड की कोटिंग प्रक्रिया के लिए किया जाता है। यह इलेक्ट्रोड पर समकालिक ट्रैकिंग माप करने के लिए कई स्कैनिंग फ़्रेमों का उपयोग करता है। पाँच-फ़्रेम समकालिक ट्रैकिंग माप प्रणाली गीली फिल्म, शुद्ध कोटिंग मात्रा और इलेक्ट्रोड का निरीक्षण करने में सक्षम है।

•  लेजर मोटाई गेज

इसका उपयोग लिथियम बैटरी की कोटिंग प्रक्रिया या कैलेंडरिंग प्रक्रिया में इलेक्ट्रोड का पता लगाने के लिए किया जाता है।

• ऑफ-लाइन मोटाई और आयाम गेज

इसका उपयोग लिथियम बैटरी की कोटिंग प्रक्रिया या कैलेंडरिंग प्रक्रिया में इलेक्ट्रोड की मोटाई और आयाम का पता लगाने के लिए किया जाता है, जिससे दक्षता और स्थिरता में सुधार होता है।