Trong quá trình nghiên cứu và phát triển phòng thí nghiệm pin lithium, từ khâu chuẩn bị điện cực đến lắp ráp pin và kiểm tra hiệu suất, cần có một bộ thiết bị chuyên dụng để hỗ trợ quy trình. Trong quá trình nghiên cứu và phát triển phòng thí nghiệm pin lithium, từ khâu chuẩn bị điện cực đến lắp ráp pin và kiểm tra hiệu suất, cần có một bộ thiết bị chuyên dụng để hỗ trợ quy trình. Độ chính xác và độ ổn định của các thiết bị này quyết định trực tiếp đến độ tin cậy của dữ liệu nghiên cứu. Bài viết này tập trung vào các thiết bị pin lithium thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm và phân tích chức năng cũng như logic ứng dụng của chúng.
I. Thiết bị cốt lõi để chuẩn bị điện cực
Là thiết bị khởi đầu cho quá trình chuẩn bị điện cực, chức năng cốt lõi của nó là đạt được sự phân tán đồng đều của vật liệu hoạt tính, tác nhân dẫn điện, chất kết dính và dung môi. Model phòng thí nghiệm thường được sử dụng có thể tích hiệu dụng từ 0,2 - 3 lít, hỗ trợ điều chỉnh tốc độ vô cấp từ 50 - 500 vòng/phút và được trang bị độ chân không ≤ -0,095 MPa. Điều này có thể ngăn ngừa sự hình thành bọt khí còn sót lại trong dung dịch. Ví dụ, trong quá trình chuẩn bị dung dịch điện cực dương tam phân, thiết bị kiểm soát chính xác nhiệt độ ở nhiệt độ phòng đến -80℃ để ngăn ngừa sự bay hơi nhanh chóng của dung môi NMP, đảm bảo độ ổn định của độ nhớt dung dịch và tạo nền tảng cho quá trình phủ tiếp theo.
2. Máy phủ dao cọ rửa nhỏ
Cácmáy phủ Cần phủ đều hỗn hợp bột nhão lên bộ thu dòng điện (lá nhôm/lá đồng). Các mô hình phòng thí nghiệm chủ yếu sử dụng dao cạo để điều chỉnh độ dày, với độ chính xác ±5 μm. Thiết bị hỗ trợ tốc độ phủ có thể điều chỉnh từ 1 - 50 mm/giây, phù hợp với các loại bột nhão có độ nhớt khác nhau - ví dụ, khi phủ bột nhão điện cực âm gốc silicon, tốc độ cần giảm xuống còn 5 - 10 mm/giây để tránh tạo vệt trên bột nhão do độ nhớt cao, đảm bảo độ đồng đều của độ dày tấm điện cực.
3. Lò sấy chân không và máy ép trục lăn
Tấm điện cực phủ cần được sấy chân không trong lò sấy để loại bỏ dung môi. Thiết bị phòng thí nghiệm có độ chính xác kiểm soát nhiệt độ là ±1℃ và độ chân không ≤ -0,098 MPa. Thiết bị có thể thiết lập chương trình tăng nhiệt độ theo từng bước (chẳng hạn như 60℃/2 giờ → 80℃/4 giờ) để ngăn ngừa tấm điện cực bị nứt. Tấm điện cực đã sấy khô cần được ép bằng máy ép trục lăn. Áp suất của máy ép trục lăn nhỏ trong phòng thí nghiệm có thể được điều chỉnh trong phạm vi 0 - 50 kN, và đường kính trục lăn chủ yếu là 80 - 120 mm. Bằng cách kiểm soát áp suất (chẳng hạn như 20 - 30 kN đối với điện cực dương và 15 - 20 kN đối với điện cực âm), có thể điều chỉnh mật độ của tấm điện cực, ảnh hưởng đến dung lượng pin và hiệu suất chu kỳ.
II. Thiết bị lắp ráp và niêm phong pin
1. Hộp đựng găng tay (Bảo vệ bằng khí trơ)
Trong quá trình lắp ráp pin hình trụ và pin túi, hộp găng tay có thể cung cấp môi trường khô ráo, không có oxy (hàm lượng nước-oxy ≤ 1 ppm), ngăn không cho điện cực và dung dịch điện phân tiếp xúc với không khí. Các phòng thí nghiệm thường sử dụng hộp găng tay hai trạm, được trang bị hệ thống lọc khí và buồng truyền chân không, để hoàn thành các thao tác như cắt tấm điện cực, quấn (hoặc xếp chồng) và nhỏ giọt dung dịch điện phân. Ví dụ, khi lắp ráp pin thể rắn, toàn bộ quy trình phải được thực hiện trong hộp găng tay để ngăn dung dịch điện phân thể rắn hấp thụ độ ẩm và mất hiệu suất.
2. Máy hàn kín pin hình trụ
Đối với các loại pin hình trụ thông dụng như CR2032, máy hàn kín phòng thí nghiệm sử dụng phương pháp áp suất thủy lực hoặc thủ công, với áp suất hàn có thể điều chỉnh (thường là 0,5-2 MPa). Thiết bị phải đảm bảo hiệu suất hàn kín để ngăn ngừa rò rỉ điện phân và cũng ngăn ngừa áp suất quá mức làm biến dạng vỏ pin, ảnh hưởng đến các thử nghiệm tiếp theo.
III. Thiết bị chính để kiểm tra hiệu suất
1. Máy kiểm tra pin (Hệ thống kiểm tra sạc và xả)
Thiết bị cốt lõi này được sử dụng để kiểm tra các thông số như dung lượng pin, tuổi thọ chu kỳ và hiệu suất định mức. Các mô hình phòng thí nghiệm thường có 8-32 kênh, với dải dòng điện từ 0,001-10 A và độ chính xác điện áp ±0,1 mV. Trong quá trình thử nghiệm, có thể thiết lập nhiều chế độ sạc và xả, chẳng hạn như sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi (CC-CV) và sạc và xả từng bước, để đáp ứng các nhu cầu nghiên cứu khác nhau - ví dụ, khi kiểm tra hiệu suất chu kỳ pin, tốc độ sạc và xả 1C thường được sử dụng, và tỷ lệ duy trì dung lượng sau 500 chu kỳ sẽ được ghi lại.
2. Trạm làm việc điện hóa
Thiết bị này chủ yếu được sử dụng cho phân tích điện hóa như trở kháng dòng điện xoay chiều (EIS) và voltam tuần hoàn (CV), để khảo sát các đặc tính vi mô như điện trở truyền điện tích và hệ số khuếch tán ion lithium trong pin. Phòng thí nghiệm thường sử dụng các trạm làm việc với dải tần số từ 10 μHz-1 MHz và độ phân giải dòng điện 1 pA. Chúng có thể được trang bị các thiết bị chuyên dụng để thực hiện các thử nghiệm tại chỗ đối với pin hình trụ và pin túi, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho việc phân tích cơ chế suy thoái pin.
IV. Hợp tác thiết bị và giá trị nghiên cứu
Thiết bị pin lithium trong phòng thí nghiệm cần tạo thành một vòng khép kín từ chuẩn bị - lắp ráp - thử nghiệm: Ví dụ, thông qua máy trộn bùn và máy phủ để kiểm soát chất lượng tấm điện cực, sau khi lắp ráp trong hộp găng tay, máy kiểm tra và trạm làm việc được sử dụng để xác minh hiệu suất, sau đó sử dụng kết quả thử nghiệm để tối ưu hóa ngược lại các thông số thiết bị (chẳng hạn như điều chỉnh thời gian trộn và độ dày lớp phủ). Hệ thống thiết bị này không chỉ đảm bảo khả năng lặp lại của các thí nghiệm quy mô nhỏ mà còn nhanh chóng xác minh tiềm năng ứng dụng của các vật liệu mới (như vật liệu catốt mới, chất điện phân thể rắn), cung cấp hỗ trợ quan trọng cho sự phát triển liên tục của công nghệ pin lithium.
