ระบบอุปกรณ์หลักและการประยุกต์ใช้การวิจัยแบตเตอรี่ลิเธียมในห้องปฏิบัติการ

ในการวิจัยและพัฒนาห้องปฏิบัติการแบตเตอรี่ลิเธียม ตั้งแต่การเตรียมอิเล็กโทรด การประกอบแบตเตอรี่ และการทดสอบประสิทธิภาพ จำเป็นต้องใช้ชุดอุปกรณ์เฉพาะทางเพื่อสนับสนุนกระบวนการนี้ ในการวิจัยและพัฒนาห้องปฏิบัติการแบตเตอรี่ลิเธียม ตั้งแต่การเตรียมอิเล็กโทรด การประกอบแบตเตอรี่ และการทดสอบประสิทธิภาพ จำเป็นต้องใช้ชุดอุปกรณ์เฉพาะทางเพื่อสนับสนุนกระบวนการนี้ ความแม่นยำและความเสถียรของอุปกรณ์เหล่านี้เป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือของข้อมูลการวิจัยโดยตรง ความแม่นยำและความเสถียรของอุปกรณ์เหล่านี้เป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือของข้อมูลการวิจัยโดยตรง บทความนี้มุ่งเน้นไปที่อุปกรณ์แบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการ และวิเคราะห์ฟังก์ชันและตรรกะการใช้งานของอุปกรณ์เหล่านั้น บทความนี้มุ่งเน้นไปที่อุปกรณ์แบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการ และวิเคราะห์ฟังก์ชันและตรรกะการใช้งานของอุปกรณ์เหล่านั้น

I. อุปกรณ์หลักสำหรับการเตรียมอิเล็กโทรด

1.เครื่องผสมของเหลวสูญญากาศขนาดเล็ก

ในฐานะอุปกรณ์เริ่มต้นสำหรับการเตรียมอิเล็กโทรด หน้าที่หลักของมันคือการกระจายตัวของสารออกฤทธิ์ สารนำไฟฟ้า สารยึดเกาะ และตัวทำละลายอย่างสม่ำเสมอ แบบจำลองห้องปฏิบัติการที่ใช้กันทั่วไปมีปริมาตรประสิทธิภาพ 0.2-3 ลิตร รองรับการปรับความเร็วแบบไม่มีขั้นตอนที่ 50-500 รอบต่อนาที และมีระดับสุญญากาศ ≤ -0.095 เมกะปาสคาล ซึ่งสามารถป้องกันฟองอากาศตกค้างในสารละลายได้ ยกตัวอย่างเช่น ในการเตรียมสารละลายอิเล็กโทรดบวกแบบเทอร์นารี อุปกรณ์นี้จะควบคุมอุณหภูมิที่อุณหภูมิห้องให้อยู่ที่ -80°C อย่างแม่นยำ เพื่อป้องกันการระเหยอย่างรวดเร็วของตัวทำละลาย เอ็นเอ็มพี ช่วยให้มั่นใจถึงความหนืดของสารละลายที่คงที่และวางรากฐานสำหรับการเคลือบต่อไป

2. เครื่องเคลือบมีดขัดขนาดเล็ก

การเครื่องเคลือบ ต้องเคลือบสารละลายผสมบนตัวเก็บกระแส (ฟอยล์อลูมิเนียม/ฟอยล์ทองแดง) ให้ทั่วถึง แบบจำลองในห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่ใช้มีดขัดเพื่อปรับความหนา โดยมีความแม่นยำ ±5 ไมโครเมตร อุปกรณ์นี้รองรับความเร็วในการเคลือบที่ปรับได้ตั้งแต่ 1-50 มม./วินาที เหมาะสำหรับสารละลายที่มีความหนืดต่างกัน เช่น เมื่อเคลือบสารละลายอิเล็กโทรดลบที่ทำจากซิลิคอน จำเป็นต้องลดความเร็วลงเหลือ 5-10 มม./วินาที เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคราบในสารละลายเนื่องจากความหนืดสูง ซึ่งจะทำให้ความหนาของแผ่นอิเล็กโทรดมีความสม่ำเสมอ

3. เตาอบสุญญากาศและเครื่องรีดลูกกลิ้ง 

แผ่นอิเล็กโทรดเคลือบต้องผ่านการอบแห้งแบบสุญญากาศในเตาอบเพื่อกำจัดตัวทำละลาย อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการมีความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิที่ ±1°C และระดับสุญญากาศที่ ≤ -0.098 เมกะปาสคาล สามารถตั้งค่าโปรแกรมอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นแบบขั้นบันได (เช่น 60°C/2 ชั่วโมง → 80°C/4 ชั่วโมง) เพื่อป้องกันไม่ให้แผ่นอิเล็กโทรดแตกร้าว แผ่นอิเล็กโทรดที่แห้งแล้วต้องถูกกดด้วยลูกกลิ้งกด แรงกดของลูกกลิ้งกดขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการสามารถปรับได้ในช่วง 0-50 กิโลนิวตัน และเส้นผ่านศูนย์กลางลูกกลิ้งส่วนใหญ่อยู่ที่ 80-120 มม. การควบคุมแรงดัน (เช่น 20-30 กิโลนิวตัน สำหรับอิเล็กโทรดบวก และ 15-20 กิโลนิวตัน สำหรับอิเล็กโทรดลบ) สามารถปรับความหนาแน่นของแผ่นอิเล็กโทรดได้ ซึ่งจะส่งผลต่อความจุของแบตเตอรี่และประสิทธิภาพการทำงานของวงจร

ครั้งที่สอง. อุปกรณ์ประกอบและปิดผนึกแบตเตอรี่

1. กล่องถุงมือ (ป้องกันก๊าซเฉื่อย)

ในการประกอบแบตเตอรี่ทรงกระบอกและแบตเตอรี่แบบซอง กล่องถุงมือสามารถให้สภาพแวดล้อมที่แห้งและปราศจากออกซิเจน (ปริมาณน้ำและออกซิเจน ≤ 1 พีพีเอ็ม) ป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์สัมผัสกับอากาศ ห้องปฏิบัติการมักใช้กล่องถุงมือแบบสองสถานีพร้อมระบบฟอกก๊าซและห้องถ่ายโอนสุญญากาศ เพื่อดำเนินการต่างๆ เช่น การตัดแผ่นอิเล็กโทรด การพัน (หรือการซ้อน) และการหยดอิเล็กโทรไลต์ ตัวอย่างเช่น เมื่อประกอบแบตเตอรี่โซลิดสเตต กระบวนการทั้งหมดต้องดำเนินการในกล่องถุงมือเพื่อป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตดูดซับความชื้นและสูญเสียประสิทธิภาพ

2. เครื่องปิดผนึกแบตเตอรี่ทรงกระบอก

สำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอกทั่วไป เช่น CR2032 เครื่องปิดผนึกในห้องปฏิบัติการจะใช้ระบบแรงดันไฮดรอลิกหรือแรงดันด้วยมือ โดยมีแรงดันปิดผนึกที่ปรับได้ (ปกติ 0.5-2 เมกะปาสคาล) อุปกรณ์ต้องรับประกันประสิทธิภาพการปิดผนึกเพื่อป้องกันการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ และป้องกันแรงดันที่มากเกินไปจนทำให้เปลือกแบตเตอรี่เสียรูป ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อการทดสอบในภายหลัง

สาม. อุปกรณ์หลักสำหรับการทดสอบประสิทธิภาพ

1. เครื่องทดสอบแบตเตอรี่ (ระบบทดสอบการชาร์จและการคายประจุ)

อุปกรณ์หลักนี้ใช้สำหรับทดสอบพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความจุของแบตเตอรี่ อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพของอัตราการทำงาน โดยทั่วไปแล้ว รุ่นที่ใช้ในห้องปฏิบัติการจะมี 8-32 ช่องสัญญาณ โดยมีช่วงกระแส 0.001-10 แอมแปร์ และความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้า ±0.1 มิลลิโวลต์ ระหว่างการทดสอบ สามารถตั้งค่าการชาร์จและการคายประจุได้หลายรูปแบบ เช่น การชาร์จด้วยกระแสคงที่และแรงดันคงที่ (ซีซี-ซีวี) และการชาร์จและการคายประจุแบบขั้นตอน เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการวิจัยที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น เมื่อทดสอบประสิทธิภาพของรอบการทำงานของแบตเตอรี่ มักใช้อัตราการชาร์จและการคายประจุที่ 1C และบันทึกอัตราการคงความจุหลังจาก 500 รอบ

2. สถานีงานไฟฟ้าเคมี

ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้า เช่น อิมพีแดนซ์กระแสสลับ (อีไอเอส) และโวลแทมเมทรีแบบไซคลิก (ซีวี) เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางจุลภาค เช่น ความต้านทานการถ่ายโอนประจุ และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของลิเธียมไอออนในแบตเตอรี่ ห้องปฏิบัติการมักใช้เวิร์กสเตชันที่มีช่วงความถี่ 10 μHz-1 เมกะเฮิรตซ์ และความละเอียดกระแสไฟฟ้า 1 พีเอ สามารถติดตั้งอุปกรณ์พิเศษเพื่อทำการทดสอบแบบ ใน-สถาน สำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอกและแบตเตอรี่แบบซอง ซึ่งให้ข้อมูลสนับสนุนสำหรับการวิเคราะห์กลไกการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่

สี่. ความร่วมมือด้านอุปกรณ์และคุณค่าการวิจัย

อุปกรณ์แบตเตอรี่ลิเธียมในห้องปฏิบัติการควรเป็นระบบปิด ว๊าวววว เตรียม - ประกอบ - ทดสอบ": ยกตัวอย่างเช่น ผ่านเครื่องผสมสารละลายและเครื่องเคลือบเพื่อควบคุมคุณภาพของแผ่นอิเล็กโทรด หลังจากประกอบชิ้นส่วนในกล่องถุงมือแล้ว เครื่องทดสอบและเวิร์กสเตชันจะถูกใช้เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพ จากนั้นจึงนำผลการทดสอบไปปรับค่าพารามิเตอร์ของอุปกรณ์ (เช่น การปรับเวลาในการผสมและความหนาของสารเคลือบ) ในแบบย้อนกลับ ระบบอุปกรณ์นี้ไม่เพียงแต่รับประกันความสามารถในการทำซ้ำของการทดลองขนาดเล็กเท่านั้น แต่ยังตรวจสอบศักยภาพการใช้งานของวัสดุใหม่ๆ (เช่น วัสดุแคโทดใหม่ อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตต) ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างต่อเนื่อง