In der Forschung und Entwicklung von Lithiumbatterielaboren wird von der Elektrodenvorbereitung über die Batteriemontage bis hin zur Leistungsprüfung eine Reihe von Spezialgeräten benötigt, um den Prozess zu unterstützen. In der Forschung und Entwicklung von Lithiumbatterielaboren wird von der Elektrodenvorbereitung über die Batteriemontage bis hin zur Leistungsprüfung eine Reihe von Spezialgeräten benötigt, um den Prozess zu unterstützen. Die Genauigkeit und Stabilität dieser Geräte bestimmen direkt die Zuverlässigkeit der Forschungsdaten. Die Genauigkeit und Stabilität dieser Geräte bestimmen direkt die Zuverlässigkeit der Forschungsdaten. Dieser Artikel konzentriert sich auf die in Laboren häufig verwendeten Lithiumbatteriegeräte und analysiert ihre Funktionen und Anwendungslogik. Dieser Artikel konzentriert sich auf die in Laboren häufig verwendeten Lithiumbatteriegeräte und analysiert ihre Funktionen und Anwendungslogik.
I. Kernausrüstung für die Elektrodenvorbereitung
1.Kleiner Vakuum-Schlammmischer
Als Ausgangsgerät für die Elektrodenherstellung besteht seine Hauptfunktion darin, eine gleichmäßige Verteilung von Aktivmaterialien, Leitmitteln, Bindemitteln und Lösungsmitteln zu erreichen. Das häufig verwendete Labormodell hat ein Nutzvolumen von 0,2 bis 3 l, ermöglicht eine stufenlose Drehzahlregelung von 50 bis 500 U/min und verfügt über ein Vakuum von ≤ -0,095 MPa. Dies verhindert die Bildung von Blasen in der Suspension. Beispielsweise regelt das Gerät bei der Herstellung einer Suspension für ternäre positive Elektroden die Temperatur präzise von Raumtemperatur auf -80 °C, um die schnelle Verdunstung des NMP-Lösungsmittels zu verhindern, die Stabilität der Suspensionsviskosität zu gewährleisten und die Grundlage für die anschließende Beschichtung zu legen.
2. Kleine Scheuermesser-Beschichtungsmaschine
DerBeschichtungsmaschine muss die gemischte Aufschlämmung gleichmäßig auf den Stromkollektor (Aluminiumfolie/Kupferfolie) auftragen. Labormodelle verwenden meist ein Scheuermesser, um die Dicke mit einer Genauigkeit von ±5 μm einzustellen. Das Gerät unterstützt eine einstellbare Beschichtungsgeschwindigkeit von 1–50 mm/s, geeignet für Aufschlämmungen unterschiedlicher Viskosität – beispielsweise muss beim Auftragen von Aufschlämmung für negative Elektroden auf Siliziumbasis die Geschwindigkeit auf 5–10 mm/s reduziert werden, um Streifen in der Aufschlämmung aufgrund der hohen Viskosität zu vermeiden und die Konsistenz der Elektrodenblattdicke sicherzustellen.
3. Vakuum-Trockenofen und Walzenpresse
Die beschichtete Elektrodenfolie muss in einem Trockenofen vakuumgetrocknet werden, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Laborausrüstung verfügt über eine Temperaturregelgenauigkeit von ±1 °C und einen Vakuumgrad von ≤ -0,098 MPa. Es kann ein stufenweises Temperaturanstiegsprogramm (z. B. 60 °C/2 h → 80 °C/4 h) eingestellt werden, um ein Reißen der Elektrodenfolie zu verhindern. Die getrocknete Elektrodenfolie muss mit einer Walzenpresse gepresst werden. Der Druck der kleinen Labor-Walzenpresse kann im Bereich von 0 bis 50 kN eingestellt werden, und der Walzendurchmesser beträgt meist 80 bis 120 mm. Durch die Steuerung des Drucks (z. B. 20 bis 30 kN für die positive Elektrode und 15 bis 20 kN für die negative Elektrode) kann die Dichte der Elektrodenfolie angepasst werden, was sich auf die Batteriekapazität und die Zyklenleistung auswirkt.
II. Batteriemontage- und Versiegelungsausrüstung
1. Handschuhfach (Schutz vor Inertgasen)
Bei der Montage von zylindrischen und Beutelbatterien sorgt die Handschuhbox für eine trockene und sauerstofffreie Umgebung (Wasser-Sauerstoff-Gehalt ≤ 1 ppm) und verhindert so den Kontakt von Elektroden und Elektrolyt mit der Luft. Labore verwenden üblicherweise Doppelstations-Handschuhboxen mit Gasreinigungssystemen und Vakuumtransferkammern, um Vorgänge wie das Schneiden, Wickeln (oder Stapeln) von Elektrodenplatten und das Abtropfen des Elektrolyten durchzuführen. Beispielsweise muss bei der Montage von Festkörperbatterien der gesamte Prozess in der Handschuhbox durchgeführt werden, um zu verhindern, dass der Festkörperelektrolyt Feuchtigkeit aufnimmt und seine Wirksamkeit verliert.
2. Versiegelungsmaschine für zylindrische Batterien
Für gängige zylindrische Batterien wie CR2032 verwendet die Laborversiegelungsmaschine hydraulische oder manuelle Druckverfahren mit einstellbarem Versiegelungsdruck (normalerweise 0,5–2 MPa). Die Ausrüstung muss die Versiegelungsleistung gewährleisten, um ein Austreten von Elektrolyt zu verhindern und gleichzeitig zu verhindern, dass sich das Batteriegehäuse durch übermäßigen Druck verformt und nachfolgende Tests beeinträchtigt.
III. Wichtige Ausrüstung für Leistungstests
1. Batterietester (Lade- und Entladetestsystem)
Dieses Kerngerät dient zum Testen von Parametern wie Batteriekapazität, Zyklenlebensdauer und Ratenleistung. Labormodelle verfügen typischerweise über 8–32 Kanäle mit Strombereichen von 0,001–10 A und einer Spannungsgenauigkeit von ±0,1 mV. Während des Tests können verschiedene Lade- und Entlademodi eingestellt werden, z. B. Konstantstrom-Konstantspannungs-Laden (CC-CV) und schrittweises Laden und Entladen, um unterschiedlichen Forschungsanforderungen gerecht zu werden. Beispielsweise wird beim Testen der Batteriezyklusleistung häufig eine Lade- und Entladerate von 1C verwendet und die Kapazitätserhaltungsrate nach 500 Zyklen aufgezeichnet.
2. Elektrochemische Arbeitsstation
Es wird hauptsächlich für elektrochemische Analysen wie Wechselstromimpedanz (EIS) und zyklische Voltammetrie (CV) verwendet, um mikroskopische Eigenschaften wie den Ladungsübertragungswiderstand und den Lithiumionendiffusionskoeffizienten in der Batterie zu untersuchen. Im Labor werden üblicherweise Arbeitsstationen mit einem Frequenzbereich von 10 μHz bis 1 MHz und einer Stromauflösung von 1 pA verwendet. Sie können mit speziellen Vorrichtungen ausgestattet werden, um In-situ-Tests für zylindrische und Beutelbatterien durchzuführen und Daten zur Analyse von Batteriedegradationsmechanismen bereitzustellen.
IV. Gerätezusammenarbeit und Forschungswert
Die Lithiumbatterieausrüstung im Labor sollte einen geschlossenen Kreislauf aus Vorbereitung, Montage und Prüfung bilden: Beispielsweise wird die Qualität der Elektrodenfolie mithilfe der Schlammmischmaschine und der Beschichtungsmaschine kontrolliert. Nach der Montage in der Handschuhbox wird die Leistung mithilfe des Testers und der Arbeitsstation überprüft. Anschließend werden die Testergebnisse verwendet, um die Geräteparameter (z. B. die Anpassung der Mischzeit und der Beschichtungsdicke) zu optimieren. Dieses Gerätesystem gewährleistet nicht nur die Wiederholbarkeit von Experimenten im kleinen Maßstab, sondern überprüft auch schnell das Anwendungspotenzial neuer Materialien (z. B. neuer Kathodenmaterialien und Festkörperelektrolyte) und bietet so eine wichtige Unterstützung für die iterative Entwicklung der Lithiumbatterietechnologie.
