Bij onderzoek en ontwikkeling in laboratoria voor lithiumbatterijen, van elektrodevoorbereiding tot batterijassemblage en prestatietests, is gespecialiseerde apparatuur nodig om het proces te ondersteunen. De nauwkeurigheid en stabiliteit van deze apparaten bepalen direct de betrouwbaarheid van de onderzoeksgegevens. Dit artikel richt zich op de veelgebruikte lithiumbatterijapparatuur in laboratoria en analyseert hun functies en toepassingslogica.
I. Kernuitrusting voor elektrodevoorbereiding
Als startapparaat voor de voorbereiding van elektroden is de kernfunctie het bereiken van een uniforme dispersie van actieve materialen, geleidende middelen, bindmiddelen en oplosmiddelen. Het veelgebruikte laboratoriummodel heeft een effectief volume van 0,2 - 3 liter, ondersteunt een traploze snelheidsregeling van 50 - 500 tpm en is uitgerust met een vacuüm van ≤ -0,095 MPa. Dit voorkomt de vorming van luchtbellen in de slurry. Bijvoorbeeld, bij de bereiding van ternaire positieve elektrodeslurry regelt de apparatuur de temperatuur nauwkeurig bij kamertemperatuur tot -80 °C om snelle verdamping van NMP-oplosmiddel te voorkomen, de stabiliteit van de viscositeit van de slurry te waarborgen en de basis te leggen voor de daaropvolgende coating.
2. Kleine schuurmes coatingmachine
Decoatingmachine De gemengde slurry moet gelijkmatig op de stroomcollector (aluminiumfolie/koperfolie) worden aangebracht. Laboratoriummodellen gebruiken meestal een schuurmes om de dikte aan te passen, met een nauwkeurigheid van ±5 μm. De apparatuur ondersteunt een instelbare coatingsnelheid van 1-50 mm/s, geschikt voor slurry met verschillende viscositeiten. Bij het coaten van slurry met een negatieve elektrode op siliciumbasis moet de snelheid bijvoorbeeld worden verlaagd tot 5-10 mm/s om strepen in de slurry te voorkomen als gevolg van de hoge viscositeit, en om de consistente dikte van de elektrodeplaat te garanderen.
3. Vacuümdroogoven en rolpers
De gecoate elektrodeplaat moet vacuümgedroogd worden in een droogoven om het oplosmiddel te verwijderen. De laboratoriumapparatuur heeft een temperatuurregelnauwkeurigheid van ±1℃ en een vacuümgraad van ≤ -0,098 MPa. Het kan een stapsgewijs temperatuurstijgingsprogramma instellen (zoals 60℃/2u → 80℃/4u) om te voorkomen dat de elektrodeplaat barst. De gedroogde elektrodeplaat moet worden geperst met een rollenpers. De druk van de kleine laboratoriumrollenpers kan worden aangepast binnen het bereik van 0 - 50 kN, en de roldiameter is meestal 80 - 120 mm. Door de druk te regelen (zoals 20 - 30 kN voor de positieve elektrode en 15 - 20 kN voor de negatieve elektrode), kan de dichtheid van de elektrodeplaat worden aangepast, wat de batterijcapaciteit en cyclusprestaties beïnvloedt.
II. Batterijmontage- en afdichtingsapparatuur
1. Handschoenenkastje (bescherming tegen inert gas)
Bij de assemblage van cilindrische en pouchbatterijen kan het handschoenenkastje een droge en zuurstofvrije omgeving bieden (water-zuurstofgehalte ≤ 1 ppm), waardoor de elektroden en het elektrolyt niet in contact kunnen komen met de lucht. In laboratoria worden vaak handschoenenkastjes met twee stations gebruikt, uitgerust met gaszuiveringssystemen en vacuümkamers, om bewerkingen uit te voeren zoals het snijden, wikkelen (of stapelen) van elektrodenplaten en het laten druppelen van elektrolyt. Bij de assemblage van vaste-stofbatterijen moet bijvoorbeeld het hele proces in het handschoenenkastje plaatsvinden om te voorkomen dat de vaste-stofelektrolyt vocht absorbeert en zijn effectiviteit verliest.
2. Sluitmachine voor cilindrische batterijen
Voor gangbare cilindrische batterijen zoals CR2032 maakt de laboratoriumsealmachine gebruik van hydraulische of handmatige drukmethoden, met een instelbare sealdruk (meestal 0,5-2 MPa). De apparatuur moet de sealprestaties garanderen om lekkage van elektrolyt te voorkomen en te voorkomen dat overmatige druk de batterijbehuizing vervormt en latere tests beïnvloedt.
III. Belangrijkste apparatuur voor prestatietesten
1. Batterijtester (testsysteem voor opladen en ontladen)
Deze kernapparatuur wordt gebruikt om parameters zoals batterijcapaciteit, levensduur en snelheidsprestaties te testen. Laboratoriummodellen hebben doorgaans 8-32 kanalen, met stroombereiken van 0,001-10 A en een spanningsnauwkeurigheid van ±0,1 mV. Tijdens het testen kunnen meerdere laad- en ontlaadregimes worden ingesteld, zoals laden met constante stroom en constante spanning (CC-CV) en stapsgewijs laden en ontladen, om aan verschillende onderzoeksbehoeften te voldoen. Bij het testen van de batterijcyclusprestaties wordt bijvoorbeeld vaak een laad- en ontlaadsnelheid van 1C gebruikt en wordt de capaciteitsbehoudsnelheid na 500 cycli geregistreerd.
2. Elektrochemisch werkstation
Het wordt voornamelijk gebruikt voor elektrochemische analyses, zoals wisselstroomimpedantie (EIS) en cyclische voltammetrie (CV), om microscopische kenmerken zoals ladingsoverdrachtsweerstand en lithiumiondiffusiecoëfficiënt in de batterij te onderzoeken. Laboratoria gebruiken doorgaans werkstations met een frequentiebereik van 10 μHz-1 MHz en een stroomresolutie van 1 pA. Ze kunnen worden uitgerust met speciale armaturen voor in-situ tests op cilindrische en pouchbatterijen, en bieden dataondersteuning voor het analyseren van batterijdegradatiemechanismen.
IV. Samenwerking op het gebied van apparatuur en onderzoekswaarde
De lithiumbatterijapparatuur in het laboratorium moet een gesloten lus vormen ("voorbereiding - assemblage - testen): bijvoorbeeld via de slurrymengmachine en de coatingmachine om de kwaliteit van de elektrodeplaat te controleren, worden na assemblage in het dashboardkastje de tester en het werkstation gebruikt om de prestaties te verifiëren. Vervolgens worden de testresultaten gebruikt om de apparatuurparameters te optimaliseren (zoals het aanpassen van de mengtijd en de coatingdikte) in omgekeerde volgorde. Dit apparatuursysteem garandeert niet alleen de herhaalbaarheid van kleinschalige experimenten, maar verifieert ook snel het toepassingspotentieel van nieuwe materialen (zoals nieuwe kathodematerialen en vaste elektrolyten), wat een belangrijke ondersteuning biedt voor de iteratieve ontwikkeling van lithiumbatterijtechnologie.
