בתחום ייצור סוללות ליתיום, פריט ציוד שנראה רגיל אך חיוני - תא הכפפות - הופך לכלי מרכזי להבטחת ביצועי הסוללה ולהנעת פריצות דרך טכנולוגיות. הוא יוצר סביבה טהורה במיוחד על ידי בידוד לחות, חמצן וזיהומים מהאוויר, ומספק ערבויות אמינות לסינתזה של חומרי אלקטרודה, הכנת אלקטרוליטים, הרכבת סוללות ובדיקת ביצועים של סוללות ליתיום. מאמר זה ינתח את הערך הטכני ואת היגיון היישום של תא הכפפות של סוללות ליתיום משלושה היבטים: הגדרה, תפקיד ליבה ואסטרטגיית בחירה.
1. מהו ליתיוםתא כפפות סוללה
תא כפפות של סוללת ליתיום הוא מכשיר סגור לחלוטין. באמצעות גוף קופסה מפלדת אל-חלד או אקריליק שקוף, ממשק תפעול הכפפות ומערכת טיהור גז, תכולת החמצן בפנים נשלטת על פחות מ-1 ppm והלחות על פחות מ-0.1 ppm. מבנה הליבה שלו כולל:
· גוף קופסה אטום דו-שכבתי: גוף הקופסה הראשי מבודד מתא המעבר, ולפני הפעולה מתבצע מחזור שאיבת ואקום ומילוי גז אינרטי כדי להפחית את הסיכון לזיהום צולב ב-90%. לדוגמה, בשלב הזרקת האלקטרוליטים של סוללות ליתיום-יון, טיהור המחזור של תא המעבר יכול להפחית את חדירת המים מהערך הסביבתי (כ-20,000 ppm) לפחות מ-0.1 ppm.
· ממשק תפעול כפפות: מצויד ב-2-4 כפפות ניטריל או לטקס, בקוטר של 200 מ"מ, המסוגלות להכיל ציוד ניסיוני קונבנציונלי. המפעילים מבצעים פעולות עדינות כגון חיתוך אלקטרודות וכיסוי באמצעות כפפות כדי למנוע מגע ישיר עם חומרים מזיקים.
· מערכת טיהור: מסננות מולקולריות סופגות לחות, זרזים מפרקים חמצן, והשימוש המשולב במאוורר סירקולציה משיג טיהור גז דינמי. ציוד סטנדרטי יכול להפחית את תכולת החמצן בקופסה בגודל 875 מ"מ × 480 מ"מ × 500 מ"מ מ-21% לפחות מ-1 ppm ואת הלחות מערך הסביבה לפחות מ-0.1 ppm תוך שעתיים.
2、תפקוד ליבה
הגנה על חומרים: חסימת שרשרת התגובה הכימית
החומרי אלקטרודהשל סוללות ליתיום (כגון ליתיום קובלט אוקסיד, גרפיט) והאלקטרוליט רגישים ביותר ללחות וחמצן. לדוגמה, האלקטרודה השלילית של מתכת ליתיום תיצור ליתיום אוקסיד בחשיפה לאוויר למשך 10 דקות בלבד, וכתוצאה מכך אובדן חומרים פעילים; ה-LiPF6 באלקטרוליט מתפרק במגע עם לחות ויוצר HF, אשר גורם לשחיקה של חומרי האלקטרודה ופוגע בקרום הממשק האלקטרוליטי המוצק (SEI). תא הכפפות שומר על תכולת חמצן של פחות מ-1 ppm ותכולת לחות של פחות מ-0.1 ppm, ובכך מגדיל את חיי מחזור הסוללה מפי 800 לפי 1200 ומפחית את קצב ירידת הקיבולת מ-8% בשנה ל-2%.
דיוק תהליך: שיפור עקביות הייצור
בתהליך הכנת משחת האלקטרודות, תא הכפפות מונע מהחומרים הפעילים להגיב עם האוויר, מבטיח את אחידות המשחה ומפחית את סטיית עובי האלקטרודה מ-±5 מיקרון ל-±2 מיקרון. בשלב הרכבת הסוללה, תא הכפפות תומך בהפעלה משולבת של ציוד כגון מכונות למינציה ומכונות הזרקה, ומפחית את עלות העבודה לג'יגה-וואט-שעה מ-15 מיליון יואן ל-8 מיליון יואן, תוך הגדלת שיעור תפוקת המוצר מ-88% ל-94%.
בקרת בטיחות: צמצום סיכוני תהליך
ריתוך בלייזר מסגסוגת טיטניום דורש בידוד חמצן כדי למנוע חמצון ושבירות של הריתוך. למארז הסוללה המרותך בתא הכפפות יש חוזק מתיחה מוגבר מ-600 מגה פסקל ל-800 מגה פסקל, וחוזק המבני גדל ב-30%. באריזה הסטרילית של סטנטים ללב, תא הכפפות, בשילוב עם מערכת סינון HEPA (יעילות סינון חלקיקים 99.97%), הפחית את שיעור הזיהום המיקרוביאלי מ-0.3% ל-0.01%, ובכך הפחיתה משמעותית את הסיכון לזיהום לאחר הניתוח.
3. כיצד לבחור תא כפפות
התאמה לדרישות סביבתיות
אטמוספרת גז: תכולת החמצן בייצור סוללות ליתיום-יון צריכה להיות פחות מ-1 ppm ותכולת הלחות צריכה להיות פחות מ-0.1 ppm; למחקר סוללות במצב מוצק, ייתכן שיידרש תערובת של ארגון ופחמן דו-חמצני.
בקרת טמפרטורה ולחות: טיפול בחומרי אלקטרודה בטמפרטורה גבוהה דורש סביבה של 300 מעלות צלזיוס. תא הכפפות צריך להיות מצויד במודול חימום חשמלי ומערכת קירור מהירה.
תאימות תפעולית
גודל הקופסה: קטנה (50×80×50 ס"מ) מתאימה לניתוח דגימות; בינונית (80×120×100 ס"מ) תומכת בהכנה והרכבה של אלקטרודות; גדולה (120×180×150 ס"מ) יכולה לשלב מכונת מילוי ומכונת למינציה כדי להשיג קו ייצור אוטומטי.
חומר כפפות: כפפות ניטריל עמידות בפני קורוזיה כימית ומתאימות לפעולות אלקטרוליט; כפפות לטקס בעלות גמישות גבוהה ומתאימות לפעולות עדינות כגון חיתוך אלקטרודות.
אימות פרמטרים של ביצועים
יכולת טיהור: קצב הזרימה של מאוורר הסירקולציה צריך להיות ≥ 10 מ"ק/שעה ולהגיע לסביבת היעד תוך שעתיים. נמדד ציוד של מותג מסוים ונמצא כי קופסה בגודל 875 מ"מ × 480 מ"מ × 500 מ"מ יכולה לטהר מערך הסביבה לערך היעד תוך שעה וחצי בלבד.
ביצועי איטום: קצב הדליפה צריך להיות < 0.05% vol/h ובדיקת ניכוי הלחץ צריכה להראות ירידה של ≤ 0.03% תוך 24 שעות. לציוד עם עיצוב ואקום של טבעת O יש אורך חיים של איטום של עד 10 שנים או יותר.
