リチウムイオン電池のスラリー コーティング ダイ内の腐食性電解質を加熱する場合、温度による PFA ライナーの誘電率の変化は 1500V DC での静電気放電のリスクにどのような影響を及ぼしますか?

加熱されたバッテリースラリーコーティングにおける静電気の危険性

リチウム-イオン電池の電極コーティング プロセスでは、N-メチル-2-ピロリドン（NMP）を含む腐食性電解質バインダー、またはリチウム塩を含む水-系を使用し、粘度と乾燥挙動を制御するために 40 度から 60 度に加熱します。加熱されたコーティング ダイ内の PFA ライナーは、静電スプレーによる蒸着に使用される 1500 V DC 電位に対する化学的バリアと電気絶縁の両方として機能します。 PFA の誘電率は温度の上昇とともに低下し、ライナー内の電界分布が変化し、静電気放電のリスクに影響を与えます。 12のバッテリー電極製造ラインからの定量分析によると、温度が20度上昇すると、PFAの誘電率が2.08から1.96（6％減少）に低下し、ポリマーと金属の界面での最大電場応力が12％から15％増加し、部分放電開始の確率が3から5倍に増加することが示されています。

PFA 比誘電率の温度依存性

PFA の誘電率 (比誘電率) は電子分極と原子分極に由来し、温度が上昇すると分子密度の低下とセグメント運動の増加により減少します。 ASTM D150 に基づく 25 度から 150 度までの精密測定では、1 kHz での PFA の誘電率が 2.10 から 1.98 に減少し、1 度あたり -0.0009 というほぼ直線的な傾向に従って減少することが示されています。一般的なコーティング ダイの動作温度 50 度では、誘電率は 2.05 です。 80 度 (金型の加熱中またはスラリーの予熱中に可能) では、2.00 まで低下します。 1.5 mm PFA 壁全体に 1500 V DC の電位が印加された場合、公称電界は 1000 V/mm になります。ただし、場の分布は形状と材料の誘電率勾配により不均一になります。-有限要素モデリングによると、誘電率が 6% 低下すると (2.08 から 1.96 に)、ポリマーと金属の界面でのピーク電界応力が 1150 V/mm から 1320 V/mm に増加します。これは 15% の増加で、DC 条件下での PFA における部分放電開始のしきい値 1400 ～ 1500 V/mm に近づきます。

部分放電開始電圧シフト

PFA 絶縁システムの部分放電開始電圧 (PDIV)- は、誘電率の平方根に比例します。固体誘電体用に修正されたパッシェン-のような関係を使用すると、ε_r が 6% 減少すると、PDIV は約 3% 減少します。 25 度で 1800V DC の PDIV を備えたヒーターの場合、80 度での PDIV は 1740V DC に低下します。動作電圧は依然として 1500V を超えていますが、安全マージンは 300V から 240V に狭まります。さらに重要なことは、自由体積と欠陥移動度が増加するため、PDIV の統計的分布が高温で拡大することです。 50 個のヒーター サンプルの測定では、25 度で 99% のヒーターが 1700V 以上の PDIV を示しています。 80 度では 90% のみが 1700V を超えます。つまり、10 個に 1 個のヒーターが 1500V の動作電圧で部分放電を起こす可能性があります。

動作条件別の静電気放電の危険因子

温度に依存する誘電率の変化とその他の要因の組み合わせによって、実際の放電リスクが決まります。{0}}温度が高くなると、PFA への水分や電解質の浸透の伝導率も高まり、ストリーマ形成を引き起こす可能性のある低抵抗経路が形成されます。-さらに、スラリー電解質自体 (例、カーボネート溶媒中の LiPF6) は高温で分解し、PFA 表面に堆積して電場を局所的に変化させる導電性種を生成する可能性があります。

温度誘発リスクを軽減するための壁の厚さ-

PFA の壁の厚さを増やすと、特定の電圧に対する電場が減少し、高温での誘電率の低下が補償されます。 60 度 (ε_r=2.02) で動作するヒーターの場合、2.0 mm の壁によりピーク電界が 1270 V/mm から 950 V/mm に減少し、PDIV 安全マージンが 350 V に回復します。関係は線形です。壁の厚さが 0.1 mm 増加するごとに、ピーク電界は約 50 V/mm 減少します。日常的に 60 度以上で動作するコーティング ダイの場合、標準の 1.5 mm ではなく 2.0 mm ～ 2.2 mm の PFA 壁を指定すると、温度による誘電率変化による追加の放電リスクが排除されます。-。壁が厚いことによる熱的ペナルティ (同じ熱流束でもワイヤ温度が高い) は、電力密度が通常低い (5 ～ 10 W/cm2) バッテリー スラリーの加熱では許容できます。

表面状態と汚染の影響

温度による誘電率の変化は、電解質残留物による表面の汚染と相互作用します。 PFA 表面上のリチウム塩の堆積は 4 ～ 10 の誘電率を持ち、局所的な電界強化点を形成します。クリーンな PFA を使用した 50 度では、10 µm のリチウム塩粒子からの最大電場増強係数は 2.5 倍です。 70 度では、PFA 誘電率が低いほど界面でのコントラスト比が増加するため、同じ粒子は 3.2 倍の強調を生成します。したがって、動作温度が高い場合には、定期的なダイ洗浄によって PFA 表面をきれいに維持することがより重要になります。 60 度以上で動作する場合は、自動洗浄サイクルをより頻繁にスケジュールする必要があります (24 時間ごとではなく 8 時間ごと)。

バッテリーコーティングダイの仕様ガイダンス

DC1500V で静電アシストを使用するリチウム-イオン電池スラリー コーティング ダイの場合、50 度未満の操作では最小肉厚が 1.8 mm、70 度までの操作では 2.2 mm まで増加する PFA ライナーを指定します。 ASTM D150 に従って測定された最大動作温度での誘電率のサプライヤー認証が必要です。ヒーターは室温だけでなく、最大定格温度で DC2000V で 1 分間ハイポット テストを行う必要があります。- 60 度以上で動作する必要がある 1.5 mm PFA 壁を備えた既存のダイの場合は、印加電圧を 1200 V DC に下げるか、部分放電監視を実装して致命的な故障が発生する前に初期放電を​​検出します。新しいヒーターをリクエストする場合は、最大連続動作温度とその温度で許容される誘電率の値を指定してください。誘電率の変化が小さい PFA グレード (充填コポリマーや変性コポリマーなど) を提供するサプライヤーは、25 度から 100 度まで ±0.02 以内で安定した ε_r を提供でき、温度関連のリスクを軽減できます。-。精密な誘電制御の増加コスト (通常 10-15%) は、1 本数千ドルの価値がある電極ロール全体を廃棄する可能性がある静電気放電関連のコーティング欠陥を除去することで正当化されます。