עם ההתפתחות המהירה של הטכנולוגיה המודרנית, סוללות ליתיום מתכת מוצק, כהתקן אחסון אנרגיה יעיל ונקי, יושמו בתחומים רבים, החל ממכשירים אלקטרוניים ניידים וכלה ברכבי אנרגיה חדשים, ואפילו מערכות אחסון אנרגיה בקנה מידה גדול. הביצועים של סוללות ליתיום תלויים מאוד באיכות וביציבות החומרים והרכיבים הפנימיים שלהן, הרגישים ביותר ללחות וחמצן בסביבה. תיבות כפפות ממלאות תפקיד מכריע בפיתוח סוללות ליתיום כמכשיר שיכול לספק שליטה מדויקת בסביבה נטולת מים וחמצן.
רגישות של חומרי סוללת ליתיום למים וחמצן
חומרי האלקטרודה של סוללות ליתיום, כגון חומר גרפיט לאלקטרודה השלילית ותחמוצת ליתיום קובלט, פוספט ליתיום ברזל, חומרים טרינריים (תחמוצת ניקל קובלט מנגן וכו') עבור האלקטרודה החיובית, כמו גם אלקטרוליטים, יעברו סדרה של תגובות שליליות במגע עם מים או חמצן. לחות יכולה להגיב עם מתכת ליתיום או מלח ליתיום כדי לייצר חומרים כגון ליתיום הידרוקסיד, אשר לא רק צורך את מקור הליתיום הפעיל אלא עלול גם להוביל לנזק מבני ולפגיעה בביצועים של חומרי האלקטרודה. חמצן עשוי לחמצן חומרי אלקטרודה, לשנות את ההרכב הכימי והתכונות האלקטרוכימיות שלהם, כגון שינוי מבנה הסריג של חומרי אלקטרודה חיוביים, הפחתת מוליכותם ויכולת הדיפוזיה של יוני ליתיום. בנוסף, תגובות הלוואי הנגרמות על ידי מים וחמצן עלולות גם לייצר גזים, מה שמוביל לעלייה בלחץ הפנימי של הסוללה ולהוות סכנה בטיחותית, המשפיעה קשות על מדדי ביצועים מרכזיים כגון קיבולת, חיי מחזור ויעילות פריקת טעינה של סוללות ליתיום.
יישום תא כפפות בהכנת חומר אלקטרודה
1. עיבוד חומרי גלם
בשלב הראשוני של הכנת חומר האלקטרודה, יש לשקול במדויק חומרי גלם שונים כגון אבקות תחמוצת מתכת, מלחי ליתיום וכו' ולטפל מראש בתיבת כפפות. בשל רגישותם של חומרי גלם אלו למים ולחמצן, הסביבה הנטולת מים וחמצן של תא הכפפות (בדרך כלל עם תכולת לחות של פחות מ-1ppm ותכולת חמצן של פחות מ-1ppm) יכולה למעשה למנוע מחומרי הגלם לספוג לחות או להתחמצן במהלך תהליך השקילה, מה שמבטיח את טוהר החומרים ואת יחס הדיוק של החומרים. לדוגמה, בהכנת חומרים קתודית ליתיום ברזל פוספט, יחסים מדויקים של מקור ברזל, מקור ליתיום ומקור זרחן הם הבסיס להשגת חומרים בעלי ביצועים גבוהים, ותיבות כפפות מספקות ערבויות אמינות לתהליך זה.
2. ערבוב וסינטר
חומרי הגלם הנשקלים מעורבבים בתיבת כפפות, וחומרי גלם שונים מעורבבים באופן אחיד בשיטות ערבוב מכניות כגון כרסום כדורים. תהליך הסינטר שלאחר מכן מתבצע בדרך כלל בתיבת כפפות או בתנור אטמוספירה אינרטי המחובר אליו. במהלך תהליך הסינטר, סביבה נטולת מים ונטולת חמצן עוזרת ליצור מבנה גבישי אחיד ולהימנע מהיווצרות זיהומים. לדוגמה, עבור סינון של חומרי אלקטרודה חיוביים משולשים, סביבת טמפרטורה ואווירה מתאימה במערכת תיבת כפפות יכולה לפזר באופן שווה אלמנטים כגון ניקל, קובלט ומנגן במבנה הגבישי, ולשפר את הביצועים האלקטרוכימיים של החומר.
יישום תא כפפות במכלול סוללת ליתיום
1. עיבוד קוטבי
יש לעבד את יריעות האלקטרודות החיוביות והשליליות המוכנות בתיבת כפפות לפני ההרכבה, כגון ציפוי בדבק, ייבוש ופעולות אחרות. פעולות אלו מבוצעות בסביבה מימית ואנאירובית למניעת זיהום או חמצון של משטח האלקטרודה, תוך הבטחת שטוחות האלקטרודה ופיזור אחיד של חומרים פעילים. לדוגמה, הדבק פוליווינילידן פלואוריד (PVDF) המצופה על המקטב עלול לעבור הידרוליזה בנוכחות מים וחמצן, ולהשפיע על ביצועי ההתקשרות שלו. סביבת תא הכפפות מונעת למעשה בעיה זו.
2. תהליך הרכבת הסוללה
הרכבת הסוללות, לרבות תהליך הרכבת רכיבים כמו אלקטרודות חיוביות ושליליות, מפרידים ואלקטרוליטים לתאי סוללה, מסתיימת בתא כפפות. לאחר ערימה או סלילה של המקטב והדיאפרגמה לפי הסדר המתוכנן, הזרקו כמות מדויקת של אלקטרוליט לתא הכפפות. אלקטרוליטים מכילים בדרך כלל מלחי ליתיום וממיסים אורגניים, הרגישים ביותר למים וחמצן. תא הכפפות מבטיח שהאלקטרוליט לא יבוא במגע עם מים וחמצן במהלך תהליך ההזרקה, מונע את פירוקו והידרדרותו, ובכך מבטיח שהסוללה יכולה לעבוד כרגיל ובעלת ביצועים טובים.
יישום של תיבת כפפות בבדיקת ביצועים של סוללות ליתיום מתכת מוצק
הכנת דגימות בדיקה
לפני ביצוע בדיקות ביצועי סוללה, כגון בדיקות טעינה ופריקה, בדיקות חיי מחזור, בדיקות ביצועי קצב וכו', יש לארוז ולחבר את דגימות הבדיקה בתיבת כפפות. עבור סוללות כפתורים או גליליות, יש צורך לפעול גם בתיבת כפפות בעת בדיקת האלקטרודות כדי למנוע חמצון או זיהום של חלקי החיבור ולהבטיח את הדיוק והאמינות של נתוני הבדיקה.
תיבות כפפות ממלאות תפקיד חשוב בהיבטים שונים של של סוללת ליתיום מתכת מוצק , מהכנת חומרי אלקטרודה, הרכבת סוללות ועד לבדיקת ביצועים. מחקר ופיתוח הוא מספק אווירה יציבה וניתנת לשליטה ללא מים וחמצן למחקר ופיתוח של סוללות ליתיום, תוך הימנעות יעילה מההשפעות השליליות של מים וחמצן על חומרים ורכיבים של סוללת ליתיום, מה שמבטיח את הדיוק והאמינות של תהליך המחקר והפיתוח.
