במחקר ופיתוח של מעבדות סוללות ליתיום, החל מהכנת אלקטרודות ועד להרכבת סוללות ובדיקת ביצועים, נדרש סט של ציוד מיוחד כדי לתמוך בתהליך. במחקר ופיתוח של מעבדות סוללות ליתיום, החל מהכנת אלקטרודות ועד להרכבת סוללות ובדיקת ביצועים, נדרש סט של ציוד מיוחד כדי לתמוך בתהליך. הדיוק והיציבות של מכשירים אלה קובעים ישירות את אמינות נתוני המחקר. מאמר זה מתמקד בציוד סוללות ליתיום נפוץ במעבדות ומנתח את תפקידיו ואת היגיון היישום שלו.
א. ציוד ליבה להכנת אלקטרודות
כציוד ההתחלתי להכנת אלקטרודות, תפקידו העיקרי הוא להשיג פיזור אחיד של חומרים פעילים, חומרים מוליכים, חומרים מקשרים וממסים. למודל המעבדה הנפוץ יש נפח אפקטיבי של 0.2 - 3 ליטר, תומך בכוונון מהירות ללא שלבים של 50 - 500 סל"ד, והוא מצויד בדרגת ואקום של ≤ -0.095 מגה פסקל. זה יכול למנוע שאריות של בועות בתרחיף. לדוגמה, בהכנת תרחיף אלקטרודה חיובית טרנרית, הציוד שולט במדויק בטמפרטורה בטמפרטורת החדר ל-80 מעלות צלזיוס- כדי למנוע אידוי מהיר של ממס NMP, תוך הבטחת יציבות צמיגות התרחיף והנחת היסודות לציפוי לאחר מכן.
2. מכונת ציפוי קטנה עם סכין קרצוף
המכונת ציפוי יש צורך לצפות באופן שווה את התרחיף המעורבב על גבי קולט הזרם (נייר אלומיניום / נייר נחושת). מודלים מעבדתיים משתמשים בעיקר בסכין קרצוף כדי להתאים את העובי, בדיוק של ±5 מיקרון. הציוד תומך במהירות ציפוי מתכווננת של 1 - 50 מ"מ/שנייה, מתאים לתרחיף בעל צמיגות שונה - לדוגמה, בעת ציפוי תרחיף אלקטרודה שלילית מבוססת סיליקון, יש להפחית את המהירות ל-5 - 10 מ"מ/שנייה כדי למנוע פסים בתרחיף עקב צמיגות גבוהה, תוך הבטחת עקביות עובי יריעת האלקטרודה.
3. תנור ייבוש ואקום ומכבש רולר
יש לייבוש יריעת האלקטרודה המצופה בוואקום בתנור ייבוש כדי להסיר את הממס. לציוד המעבדה יש דיוק בקרת טמפרטורה של ±1℃ ורמת ואקום של ≤ -0.098 MPa. ניתן להגדיר תוכנית עליית טמפרטורה מדורגת (כגון 60℃/2 שעות → 80℃/4 שעות), כדי למנוע סדקים ביריעת האלקטרודה. יש לדחוס את יריעת האלקטרודה המיובשת באמצעות מכבש גלילים. ניתן לכוונן את הלחץ של מכבש הגלילים הקטן במעבדה בטווח של 0 - 50 קילו-ניוטון, וקוטר הגליל הוא בעיקר 80 - 120 מ"מ. על ידי שליטה בלחץ (כגון 20 - 30 קילו-ניוטון עבור האלקטרודה החיובית ו-15 - 20 קילו-ניוטון עבור האלקטרודה השלילית), ניתן לכוונן את צפיפות יריעת האלקטרודה, דבר המשפיע על קיבולת הסוללה וביצועי המחזור.
ב'. ציוד להרכבה ואטימה של סוללות
1. תא כפפות (הגנה מפני גז אינרטי)
בהרכבת סוללות גליליות וסוללות שקית, תא הכפפות יכול לספק סביבה יבשה ונטולת חמצן (תכולת מים-חמצן ≤ 1 ppm), ולמנוע מגע בין האלקטרודות והאלקטרוליט לאוויר. מעבדות משתמשות בדרך כלל בתאי כפפות דו-תחנות, המצוידים במערכות טיהור גז ותאי העברת ואקום, כדי להשלים פעולות כגון חיתוך יריעות אלקטרודות, ליפוף (או ערימה) וטפטוף אלקטרוליט. לדוגמה, בעת הרכבת סוללות מצב מוצק, יש לבצע את כל התהליך בתא הכפפות כדי למנוע מהאלקטרוליט במצב מוצק לספוג לחות ולאבד את יעילותו.
2. מכונת איטום לסוללות גליליות
עבור סוללות גליליות נפוצות כגון CR2032, מכונת האיטום במעבדה משתמשת בשיטות לחץ הידראוליות או ידניות, עם לחץ איטום מתכוונן (בדרך כלל 0.5-2 מגה פסקל). הציוד חייב להבטיח ביצועי איטום כדי למנוע דליפת אלקטרוליט וגם למנוע לחץ מוגזם שיגרום לעיוות של מעטפת הסוללה, דבר המשפיע על הבדיקות הבאות.
ג'. ציוד מפתח לבדיקת ביצועים
1. בודק סוללות (מערכת בדיקת טעינה ופריקה)
ציוד ליבה זה משמש לבדיקת פרמטרים כגון קיבולת הסוללה, חיי מחזור וביצועי קצב. דגמי מעבדה כוללים בדרך כלל 8-32 ערוצים, עם טווחי זרם של 0.001-10 אמפר ודיוק מתח של ±0.1 מיליוולט. במהלך הבדיקה, ניתן להגדיר משטרי טעינה ופריקה מרובים, כגון טעינת זרם קבוע במתח קבוע (עותק-קורות חיים) וטעינה ופריקה בשלבים, כדי לענות על צרכי מחקר שונים - לדוגמה, בעת בדיקת ביצועי מחזור הסוללה, משתמשים לעתים קרובות בקצב טעינה ופריקה של 1C, וקצב שמירת הקיבולת לאחר 500 מחזורים נרשם.
2. תחנת עבודה אלקטרוכימית
הוא משמש בעיקר לניתוח אלקטרוכימי כגון עכבת זרם חילופין (EIS) וולטאמטריה מחזורית (קורות חיים), כדי לחקור מאפיינים מיקרוסקופיים כגון התנגדות להעברת מטען ומקדם דיפוזיה של יוני ליתיום בסוללה. מעבדות משתמשות בדרך כלל בתחנות עבודה עם טווח תדרים של 10 מיקרוהרץ-1 מגהרץ ורזולוציית זרם של 1 פנסילבניה. ניתן לצייד אותן במתקנים מיוחדים לביצוע בדיקות באתר עבור סוללות גליליות וסוללות שקית, המספקות תמיכה בנתונים לניתוח מנגנוני פירוק סוללות.
ד'. שיתוף פעולה בציוד וערך מחקר
ציוד סוללות הליתיום במעבדה צריך ליצור לולאה סגורה של הכנה - הרכבה - בדיקה: לדוגמה, באמצעות מכונת ערבוב התרחיף ומכונת הציפוי, איכות יריעת האלקטרודה מבוקרת באמצעות בוחן ומכונת ציפוי. לאחר ההרכבה בתא הכפפות, הבוחן ותחנת העבודה משמשים לאימות הביצועים, ולאחר מכן תוצאות הבדיקה משמשות לאופטימיזציה של פרמטרי הציוד (כגון התאמת זמן הערבוב ועובי הציפוי) בכיוון ההפוך. מערכת ציוד זו לא רק מבטיחה את חזרתיות של ניסויים בקנה מידה קטן, אלא גם מאמתת במהירות את פוטנציאל היישום של חומרים חדשים (כגון חומרי קתודה חדשים, אלקטרוליטים במצב מוצק), ומספקת תמיכה מרכזית לפיתוח איטרטיבי של טכנולוגיית סוללות ליתיום.
