1. Nguyên tắc quy trình cốt lõi
Trong việc chuẩn bị các điện cực pin, quá trình phun nguyên tử siêu âm có thể được chia thành 4 bước chính:
1.1 Chuẩn bị bùn điện cực: Trộn các vật liệu hoạt động (như các hạt Lifepo₄), chất kết dính (như PVDF), các tác nhân dẫn điện (như đen carbon) với dung môi (như NMP) để tạo ra một bùn đồng đều (hàm lượng rắn thường là 40%- 70%)
1.2 Giao hàng và nguyên tử hóa bùn: Slurry được chuyển đến đầu nguyên tử siêu âm thông qua một máy bơm truyền chính xác. Máy rung áp điện của đầu nguyên tử hóa rung động dữ dội dưới sự kích thích của tín hiệu điện tần số cao (thường là 20kHz - 100kHz), phá vỡ bùn thành các giọt nhỏ với đường kính 1 - 30 micron (kích thước giọt có thể được điều chỉnh theo tần số cao hơn.
1.3 Phân phối các giọt định hướng: Các giọt bùn được nguyên tử hóa được điều khiển bởi một loại khí mang (như không khí khô, nitơ) để tạo thành một chùm phun ổn định, được phun chính xác vào bề mặt thu thập dòng điện chuyển động (bộ thu hiện tại thường được vận chuyển liên tục bằng băng chuyền).
1.4 Sự hình thành và sấy khô: Các giọt nhanh chóng lan rộng và cầu chì trên bề mặt của bộ thu hiện tại để tạo thành một lớp phủ liên tục, sau đó vào kênh sấy (để loại bỏ dung môi), cuối cùng tạo thành một lớp phủ điện cực với độ dày nhất định (thường là 5 - 200 micron).
2. Ưu điểm cốt lõi so với công nghệ lớp phủ điện cực truyền thống
Trong sản xuất điện cực pin, các công nghệ truyền thống (như lớp phủ lưỡi và lớp phủ khe) có các vấn đề như tính đồng nhất của lớp phủ kém, chất thải vật liệu cao và khả năng thích ứng yếu với độ nhớt cao/độ bùn rắn cao. Những lợi thế của phun nguyên tử siêu âm đặc biệt nổi bật:
Mục | Xịt siêu âm | Lớp phủ Bác sĩ / khe thông thường |
Lớp phủ đồng đều | Các giọt rất tốt và cô đặc, độ lệch độ dày của lớp phủ có thể được kiểm soát trong phạm vi ± 1%và không có khiếm khuyết nào như "dày cạnh" và "pholes" | Dễ bị biến động của độ nhớt bùn, độ lệch độ dày thường là ± 5%- 10%và vật liệu dễ dàng tích lũy ở cạnh |
Sử dụng vật liệu | Các giọt có độ phân giải cao, gần như không có trôi dạt và tỷ lệ sử dụng đạt 85% - 95% (chi phí của vật liệu hoạt động cao, vì vậy lợi thế này là đáng kể) | Slurry dễ dàng duy trì và nhỏ giọt, và tỷ lệ sử dụng chỉ là 50%- 70% |
Kiểm soát độ dày lớp phủ | Ultra - Lớp phủ mỏng (xuống còn 1 micron) có thể đạt được với độ dày có thể điều chỉnh liên tục, phù hợp với pin mật độ năng lượng cao (lớp phủ mỏng rút ngắn đường khuếch tán ion) | Rất khó để chuẩn bị Ultra - Lớp phủ mỏng <10 micron và phạm vi điều chỉnh độ dày là hẹp |
Khả năng thích ứng bùn | Có thể xử lý hàm lượng rắn cao (> 60%), độ nhớt cao (> 1000cp) Slurries, giảm sử dụng dung môi (thân thiện với môi trường hơn) | Khả năng thích ứng kém với hàm lượng rắn cao/độ nhớt cao |
Thiệt hại cho người thu thập hiện tại | Không có tiếp xúc cơ học (đầu nguyên tử không liên lạc với bộ thu hiện tại), phù hợp cho các bộ thu hiện tại cực kỳ mỏng (như lá đồng dưới 6μm) | Máy quét tiếp xúc trực tiếp với bộ thu hiện tại, có thể dễ dàng gãi bộ thu hiện tại mỏng. |
Việc áp dụng phun nguyên tử siêu âm trong lĩnh vực pin đã chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất quy mô lớn, và các kịch bản cốt lõi bao gồm:
3.1 Lithium - Điện cực pin ion
Điện cực dương: Vật liệu ternary lớp phủ (NCM), Lithium Iron Phosphate (LFP), v.v. Loại vật liệu này có yêu cầu cực kỳ cao để phủ lớp phủ, nếu không thì dễ gây ra chạy nhiệt do các phản ứng cục bộ không đều.
Điện cực âm: Lớp phủ than chì và silicon - Vật liệu dựa trên bề mặt của lá đồng (silicon - Các điện cực âm dựa trên rất dễ mở rộng và lớp phủ đồng đều có thể làm giảm vỡ trong quá trình lưu thông).
Ưu điểm: Cải thiện tính nhất quán của mật độ bề mặt điện cực (độ lệch mật độ bề mặt <1%), giảm "hiện tượng phân cực" trong quá trình sạc pin và xả, và kéo dài tuổi thọ (có thể tăng 20%- 30%).
3.2 Lớp phủ chất xúc tác pin nhiên liệu
Thành phần cốt lõi của pin nhiên liệu (như pin nhiên liệu hydro), "điện cực màng (MEA)", cần được phủ chất xúc tác dựa trên bạch kim - trên bề mặt màng trao đổi proton (cực kỳ đắt tiền). Việc phun nguyên tử siêu âm có thể nguyên tử hóa chất xúc tác (phân tán hạt bạch kim) thành các giọt 5 - 10 micron, tạo thành một lớp chất xúc tác với độ dày đồng nhất (± 0,5 micron) và tỷ lệ sử dụng bạch kim tăng lên hơn 60%(phương pháp truyền thống chỉ là 30%.
3.3 Solid - Lớp phủ điện phân pin trạng thái
Chất điện phân của pin trạng thái rắn (như chất điện phân rắn sulfide và oxit) cần tạo thành một lớp mỏng liên tục (1 - 5 micron) trên bề mặt điện cực. Thuốc phun nguyên tử siêu âm có thể tránh "thiệt hại áp lực" của lớp phủ truyền thống, đảm bảo rằng lớp điện phân bị nứt - miễn phí và cải thiện hiệu quả dẫn truyền ion.