Application d'équipement ultrasonique dans le dégazage des séparateurs de batteries lithium-ion

Application de l'équipement à ultrasons dans le dégazage des séparateurs de batteries lithium-ion

Dans la production de séparateurs de batteries lithium-ion (tels que les procédés d'étirage biaxial humide), les solutions polymères (telles que la suspension PP/PE) sont sujettes à la génération de microbulles en raison de l'agitation, du transport ou des caractéristiques de la formulation. Si ces microbulles restent dans le séparateur, elles peuvent entraîner une porosité inégale, une diminution des propriétés mécaniques et même affecter la sécurité de la batterie. Le dégazage par ultrasons, basé sur l'effet de cavitation acoustique, peut éliminer efficacement les gaz dissous et les microbulles de la suspension sans endommager la structure du matériau du séparateur.

La méthode d'application spécifique est la suivante :

I. Principe de base
Lorsque les ultrasons agissent sur la suspension polymère, des fluctuations de pression à haute fréquence (cycle de compression-expansion) sont générées à l'intérieur du liquide :

Phase de basse pression : des microbulles de vide (noyaux de cavitation) se forment dans la suspension ;

Les gaz dissous dans la suspension (tels que l'air, les gaz d'évaporation du solvant) diffusent continuellement vers les noyaux de cavitation, ce qui provoque une croissance rapide des bulles ;

Sous l'influence de la flottabilité et des vibrations ultrasonores, les bulles s'agrègent et remontent à la surface, finissant par s'échapper de la surface de la suspension, réalisant ainsi le dégazage.

Par rapport au dégazage mécanique traditionnel (qui endommage facilement l'homogénéité de la suspension) et aux démoussants chimiques (qui peuvent introduire des impuretés), le dégazage par ultrasons présente des avantages tels que l'absence de pollution secondaire, un dégazage complet et aucun impact sur les performances de la suspension.

II. Sélection et configuration de l'équipement

1. Sélection de l'équipement principal

Type d'équipement | Exigences de paramètres clés | Base de sélection

Générateur d'ultrasons | Fréquence 20-80 kHz (40 kHz recommandée, équilibrant l'efficacité du dégazage et la stabilité de la suspension) ; Puissance 500-3000 W (réglable en fonction du volume du réservoir de suspension, 10-20 W/L recommandés) ; Prend en charge une puissance réglable en continu et un suivi automatique de la fréquence. Une fréquence trop élevée (> 80 kHz) affaiblit l'effet de cavitation et réduit l'efficacité du dégazage ; une fréquence trop basse (< 20 kHz) peut provoquer une surchauffe localisée de la suspension ou une rupture des chaînes moléculaires du polymère.Transducteur à ultrasons | Matériau céramique piézoélectrique (haute stabilité, rendement élevé de conversion d'énergie) ; Méthode d'installation : immersion ou montage mural. Les transducteurs à immersion entrent directement en contact avec la suspension pour un dégazage plus direct ; les transducteurs muraux conviennent à l'étanchéité du réservoir de suspension pour éviter la contamination.

Réservoir de suspension / Réacteur | Matériau : acier inoxydable 316L (résistant aux solvants) ; plaque déflectrice intégrée (pour créer une circulation de la suspension, en évitant les zones mortes dans le dégazage localisé) ; équipé d'un dispositif de contrôle de la température (température ≤ 60 °C, empêchant une évaporation excessive du solvant ou une gélification de la suspension). Les suspensions de diaphragme contiennent souvent des solvants organiques tels que l'hexane et l'huile de paraffine, ce qui nécessite des matériaux résistants à la corrosion ; le contrôle de la température empêche les températures élevées localisées générées par la cavitation ultrasonore d'affecter les performances de la suspension.

2. Configuration auxiliaire

Système de vide : équipé d'une pompe à vide avec un niveau de vide de -0,06~-0,08 MPa, utilisé en conjonction avec les ondes ultrasonores (un environnement sous vide réduit la solubilité des gaz dans la suspension, accélère la montée des bulles et améliore l'efficacité du dégazage de plus de 30 %) ;

Dispositif d'agitation : une agitation à basse vitesse (30-60 tr/min) évite la génération de nouvelles bulles dues à une agitation à grande vitesse, tout en favorisant un contact uniforme de la suspension avec l'énergie ultrasonore ;

Dispositif de filtration : avant que la suspension n'entre dans l'extrudeuse/machine de coulée, elle passe à travers un filtre de précision de 5 à 10 µm pour intercepter un petit nombre de grosses bulles (diamètre > 10 µm) qui ne se sont pas échappées, assurant ainsi davantage la planéité du diaphragme.

III. Procédures d'exploitation spécifiques

1. Phase de prétraitement

Préparation de la suspension : mélanger la poudre de PP/PE, le plastifiant, le solvant, etc., selon la formule pour former une solution polymère homogène (teneur en solides 20 %-40 %) ;

Inspection de l'équipement : confirmer qu'il n'y a pas de substances adhérentes (telles que des résidus de suspension, des impuretés) sur la surface du transducteur à ultrasons, que le générateur et le transducteur sont correctement connectés et que le réservoir de suspension est bien scellé (si une synergie sous vide est utilisée).

2. Procédure d'opération de dégazage

Injection de la suspension : injecter la suspension polymère préparée dans un réservoir de suspension équipé d'un dispositif à ultrasons. Contrôler le niveau de liquide à 70 %-80 % du volume du réservoir (pour éviter tout débordement pendant le dégazage dû à un niveau de liquide excessif).

Réglage des paramètres : allumer le générateur d'ultrasons, régler la fréquence sur 40 kHz, la densité de puissance sur 15 W/L et le temps de fonctionnement initial sur 30 à 60 minutes (ajuster en fonction de la teneur en bulles). Si vous utilisez un système de vide, faites d'abord le vide à -0,07 MPa avant de démarrer le processus ultrasonore.

Surveillance du processus :

Observer la surface de la suspension : si des bulles uniformes continuent de s'échapper, le dégazage est normal. Si la quantité de bulles diminue fortement, réduire la puissance ou raccourcir le temps.

Détecter l'état de la suspension : détecter la taille des particules de bulles dans la suspension à l'aide d'un analyseur de taille de particules laser (diamètre des bulles résiduelles < 5 µm et nombre ≤ 10/mL) ; détecter les changements de viscosité de la suspension à l'aide d'un rhéomètre rotationnel (fluctuation ≤ 5 %, pour éviter la rupture des chaînes moléculaires du polymère).

Contrôle de la température : si la température de la suspension dépasse 50 °C, réduire la puissance ultrasonore ou allumer le système de refroidissement pour maintenir la température. 40-50 °C ;Traitement ultérieur : après le dégazage, éteindre les systèmes ultrasonores et sous vide, maintenir une agitation à basse vitesse et acheminer la suspension à travers un filtre vers le processus suivant (coulée, étirage, etc.) pour empêcher la suspension de générer à nouveau des bulles après sédimentation.

3. Points d'opération clés

Éviter le fonctionnement continu prolongé du système ultrasonore (il est recommandé de s'arrêter pendant 10 minutes toutes les 60 minutes de fonctionnement) pour éviter une surchauffe localisée de la suspension ou une fatigue du transducteur ;

Position d'installation du transducteur : les transducteurs à immersion doivent être à 10-20 cm du fond du réservoir et à 5-10 cm de la paroi du réservoir, et répartis uniformément (un transducteur par 1-2 m² de surface du fond du réservoir) pour éviter que l'énergie concentrée ne provoque des éclaboussures de suspension ;

Calendrier de la coordination du vide et des ultrasons : tout d'abord, faire le vide dans le réservoir pendant 10 minutes pour éliminer l'air, puis démarrer le système ultrasonore. Cela réduit la génération de nouvelles bulles et améliore l'effet de dégazage.

IV. Problèmes courants et solutions

Phénomène du problème | Cause possible | Solution

De nombreuses microbulles restent dans la suspension après le dégazage | 1. Puissance ultrasonore insuffisante ou fréquence incorrecte ; 2. La viscosité de la suspension est trop élevée (le gaz a du mal à se diffuser) ; 3. Pas de coordination sous vide | 1. Augmenter la densité de puissance à 18-20 W/L, régler la fréquence sur 40 kHz ; 2. Augmenter de manière appropriée le rapport solvant, réduire la viscosité de la suspension (contrôler à 1000-5000 mPa·s) ; 3. Allumer le système de vide et maintenir un niveau de vide de -0,07 MPa

Viscosité de la suspension anormalement élevée/basse | 1. Puissance ultrasonore excessive (entraînant une rupture ou une gélification des chaînes moléculaires du polymère) ; 2. Température de la suspension excessivement élevée | 1. Réduire la densité de puissance à 10-12 W/L, raccourcir le temps d'exécution unique ; 2. Renforcer le contrôle de la température, maintenir la température en dessous de 40 °C

Entartrage/adhérence de la suspension sur la surface du transducteur | Les résidus de polymère adhèrent après l'évaporation du solvant Après chaque utilisation, nettoyer la surface du transducteur avec le solvant correspondant (par exemple, l'hexane) pour éviter que les résidus n'affectent le transfert d'énergie.

Le diaphragme fini présente encore des trous d'épingle/une taille de pore inégale. 1. Dégazage incomplet, laissant des bulles résiduelles ; 2. Précision du dispositif de filtration insuffisante.

1. Prolonger le temps de fonctionnement ultrasonore à 60 minutes et optimiser les paramètres du vide ; 2. Améliorer la précision du filtre à 5 µm et remplacer régulièrement la membrane filtrante.

V. Directions d'optimisation du processus
Optimisation synergique des paramètres : déterminer la combinaison optimale grâce à des expériences orthogonales (par exemple, fréquence 40 kHz + densité de puissance 15 W/L + degré de vide -0,07 MPa + température 45 °C), ce qui peut réduire la quantité de bulles résiduelles à moins de 5 bulles/mL ;

Conception de dégazage à plusieurs étapes : installer des dispositifs à ultrasons dans le réservoir de préparation de la suspension, le réservoir de transfert et le réservoir tampon de pré-extrusion pour obtenir un « dégazage segmenté + une purification progressive », réduisant ainsi davantage le risque de bulles résiduelles ;

Contrôle intelligent : introduire un capteur de détection de bulles en ligne (basé sur le principe de la diffusion laser) pour surveiller la teneur en bulles dans la suspension

en temps réel, ajuster automatiquement la puissance ultrasonore, le degré de vide et la vitesse d'agitation pour obtenir un contrôle en boucle fermée.

VI. Précautions

Protection de sécurité : porter des gants et des lunettes de protection pendant l'opération pour éviter d'inhaler les gaz de solvants organiques volatils ; s'assurer que le générateur d'ultrasons est correctement mis à la terre pour éviter les fuites électriques.

Entretien de l'équipement : calibrer régulièrement (tous les 1 à 2 mois) la fréquence et la puissance des ultrasons, et vérifier les performances d'étanchéité du transducteur (pour éviter les infiltrations de solvant entraînant des courts-circuits).

Compatibilité de la suspension : les nouvelles formulations de suspension nécessitent des tests à petite échelle (500 mL) pour vérifier l'impact des paramètres ultrasonores sur le poids moléculaire du polymère et la viscosité de la suspension, en évitant les problèmes de qualité lors de la production de masse.

Grâce aux mesures ci-dessus, l'équipement à ultrasons peut éliminer efficacement les bulles d'air des suspensions de séparateurs de batteries au lithium, améliorant considérablement l'uniformité des pores, la résistance à la traction et la tension de claquage du séparateur, assurant ainsi la sécurité et la durée de vie des batteries au lithium.