Kiểm soát Ô nhiễm trong Sản xuất Pin: Nâng cao An toàn và Năng suất

Bạn có biết? Chỉ một hạt bụi siêu nhỏ 0,1 µm (nhỏ hơn 1000 lần sợi tóc!) cũng có thể gây ra: ❌ Đoản mạch - Cháy nổ pin ❌ Giảm 30-40% tuổi thọ pin
❌ Tăng 20% chi phí sản xuất

GIẢI PHÁP TỪ PARTICLE MEASURING SYSTEMS (PMS):

✅ Giám sát toàn diện mọi công đoạn sản xuất ✅ Phát hiện sớm ô nhiễm ở mức 0,1 µm ✅ Tăng năng suất - Giảm lỗi sản phẩm ✅ Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

CÁC CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT TIÊN TIẾN:

• LiquiLaz® - Giám sát chất lỏng/dung môi
• IsoAir® - Kiểm soát môi trường phòng sạch
• HPD - Giám sát khí áp suất cao
• Chứng nhận ISO 14644

GIẢI PHÁP CỦA PMS:

Hệ thống "mắt thần" 4 lớp:

Sản xuất pin là một quy trình phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, trong đó ngay cả vết ô nhiễm nhỏ nhất cũng có thể ảnh hưởng đến an toàn, hiệu suất và năng suất. Nhu cầu về lưu trữ năng lượng tiên tiến đang tăng trưởng, và việc duy trì kiểm soát các chất ô nhiễm dạng hạt và phân tử là yếu tố thiết yếu để đạt được chất lượng sản phẩm nhất quán và độ tin cậy vận hành. Giám sát ô nhiễm hiệu quả mang lại giá trị đo lường được thông qua cải thiện độ ổn định quy trình, giảm lỗi sản phẩm và bảo vệ môi trường quan trọng khỏi những gián đoạn tốn kém. Với nhiều thập kỷ kinh nghiệm đã được chứng minh, Particle Measuring Systems cung cấp thiết bị đo lường, trí thông minh dữ liệu và kiến thức ứng dụng cần thiết để giải quyết những thách thức đang phát triển này. Bài báo này xem xét các ví dụ thực tế về kiểm soát và giám sát ô nhiễm trong sản xuất pin, chứng minh cách các chiến lược đo lường dựa trên dữ liệu giúp các nhà sản xuất nâng cao an toàn, đảm bảo chất lượng và tối ưu hóa năng suất trong mọi giai đoạn của quy trình sản xuất.

Giới thiệu

Giám sát và kiểm soát phòng sạch có vai trò quan trọng trong mọi bước của quy trình sản xuất pin, bao gồm:

- Chuẩn bị dung dịch nhão (slurry preparation)

- Phủ và sấy khô (coating and drying)

- Cán ép (calendaring)

- Cắt điện cực (cutting electrodes)

- Lắp ráp cell (cell assembly)

- Nạp chất điện phân và hình thành (electrolyte filling and formation)

Không chỉ mỗi bước riêng lẻ có thể được hưởng lợi từ việc giám sát, mà cả hệ thống còn có tính liên kết. Mỗi quy trình có thể tác động đến các quy trình khác thông qua hệ thống xử lý không khí hoặc các hạt còn sót lại. Những yêu cầu về phòng sạch và hóa chất thay đổi này có thể được giám sát và cải thiện để có sản phẩm chất lượng tốt hơn và an toàn hơn. Nhiều khi, chính quy trình sản xuất là nguồn gây ô nhiễm như một sản phẩm phụ. Giám sát hiệu quả của các phương pháp loại bỏ là rất quan trọng để giảm tổn thất năng suất và đảm bảo hiệu suất sản phẩm cuối cùng.¹

Khi giám sát và kiểm soát ô nhiễm không hiệu quả trong sản xuất pin, chất lượng sản phẩm, hiệu suất pin và an toàn (cả trong quá trình sản xuất và khi sử dụng) có thể bị ảnh hưởng. Các tác động tiềm ẩn bao gồm:

1. Đoản mạch (Short Circuit)

Phoi kim loại hoặc bụi dẫn điện có thể tạo ra các đường dẫn điện không mong muốn bên trong cell pin, dẫn đến đoản mạch gây quá nhiệt.

2. Thoát nhiệt không kiểm soát (Thermal Runaway)

Sự gia tăng nhiệt độ nhanh chóng, không kiểm soát được có thể dẫn đến giải phóng chất điện phân dễ cháy và nguy cơ cháy nổ.

3. Giảm hiệu suất (Reduced Performance)

Ô nhiễm có thể cản trở dòng chảy của ion và electron.

4. Suy giảm dung lượng (Capacity Fade)

Pin dần dần mất khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng theo thời gian, có thể dẫn đến giảm tuổi thọ tổng thể của pin.

5. Suy giảm tính năng an toàn (Impaired Safety Features)

Ô nhiễm có thể làm giảm các tính năng an toàn, khiến việc kiểm soát hoặc ngăn chặn các tình huống nguy hiểm trở nên khó khăn hơn.

6. Chất lượng và tính nhất quán (Quality and Consistency)

Ô nhiễm hạt có thể tạo ra sự biến đổi trong quy trình sản xuất, dẫn đến sự không nhất quán về hiệu suất và chất lượng pin.

7. Tăng chi phí sản xuất (Increased Manufacturing Costs)

Xử lý ô nhiễm hạt thường đòi hỏi các biện pháp kiểm soát chất lượng bổ sung, như tiêu chuẩn sạch nghiêm ngặt hơn, tăng cường quy trình kiểm tra và triển khai thiết bị chuyên dụng.

Tổng quan Quy trình Giám sát

Với nhu cầu ngày càng tăng về pin chất lượng cao, an toàn trên các thị trường người dùng cuối, nhu cầu về môi trường sản xuất pin được kiểm soát cũng đang gia tăng. Hình 1 làm nổi bật các quy trình trong sản xuất pin nơi các phương pháp giám sát và kiểm soát ô nhiễm có thể hoặc nên được sử dụng. Particle Measuring Systems cung cấp:

• Giám sát hạt trong chất lỏng (LIQUID - màu xanh dương)
• Giám sát sol khí (AEROSOL - màu xanh lá)
• Giám sát khí áp suất cao (GAS - màu vàng)
• Giám sát chất ô nhiễm phân tử trong không khí (AMC - màu tím)

cho nhu cầu phòng sạch trong sản xuất pin.

Hình 1: VỊ TRÍ GIÁM SÁT TRONG SẢN XUẤT PIN

Sơ đồ quy trình sản xuất pin với các điểm giám sát được đánh dấu:

Giai đoạn đầu:

1. 1- Trộn dung dịch nhão (Slurry Mixing)
2. 2- Phủ (Coating)
3. 3- Sấy khô (Drying)
4. 4- Thu hồi dung môi (Solvent Recovery)
5. 5- Cán (Calendaring)
6. 6- Cắt (Slitting)

Giai đoạn lắp ráp: 7. Sấy chân không (Vacuum Drying) 8. Lắp ráp cell (Cell Assembly) 9. Nạp chất điện phân (Filling) 10. Hình thành (Formation) 11. Hóa già (Aging) 12. Phân loại (Grading) 13. Đóng gói (Packing)

Ứng dụng để Tăng Chất lượng Năng suất và An toàn

Giám sát chất lỏng và sol khí hiệu quả đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng và độ tin cậy của sản xuất pin. Khi các môi trường sản xuất hướng tới độ chính xác ngày càng cao hơn, kích thước ô nhiễm tới hạn ảnh hưởng đến hiệu suất hiện đang tiến gần đến 0,1 µm và lớn hơn. Phát hiện và kiểm soát các hạt ở quy mô này là thiết yếu để ngăn ngừa lỗi, kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo vận hành an toàn trong tất cả các giai đoạn sản xuất.

Các nghiên cứu điển hình sau đây minh họa cách các chiến lược giám sát và kiểm soát ô nhiễm có mục tiêu đã đóng góp trực tiếp vào những cải thiện đo lường được về năng suất, chất lượng sản phẩm và an toàn tổng thể trong các môi trường sản xuất pin tiên tiến.

Kiểm tra Chất lượng Chất điện phân với LiquiLaz

Trong một trường hợp nghiên cứu, hai loại chất điện phân tiêu chuẩn công nghiệp đã được lấy mẫu bằng máy giám sát PMS LiquiLaz® II. Ô nhiễm được phát hiện ở và trên kích thước tới hạn (0,1 µm), được chứng minh là gây tổn thất năng suất, hiệu suất sản phẩm kém và nguy cơ an toàn (Hình 2). Đếm hạt trong các hóa chất khác nhau có thể giúp đánh giá và xác định chất lượng của chất lỏng trong mỗi bước quy trình tương ứng và có thể giúp xác minh hiệu quả của các nỗ lực làm sạch để chuẩn bị hóa chất cho sử dụng.

Hình 2: KẾT QUẢ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CHẤT ĐIỆN PHÂN

Kết quả phân tích:

• Mẫu Control (Đối chứng): Nồng độ hạt cao nhất
• Chất điện phân 1 (Electrolyte 1): Nồng độ hạt trung bình
• Chất điện phân 2 (Electrolyte 2): Nồng độ hạt thấp nhất

Biểu đồ logarit thể hiện số lượng hạt/mL (Counts/mL) theo kích thước hạt (Particle Size) từ 0,1 µm đến 10 µm.

Giám sát Dung môi Lỏng

Các bước quy trình quan trọng khác trong sản xuất pin nơi giám sát chất lỏng có thể nâng cao năng suất, chất lượng và an toàn bao gồm thu hồi dung môi và trộn dung dịch nhão. PMS đã áp dụng thành công các giải pháp giám sát cho các dung môi như:

• Nước siêu tinh khiết (UPW - Ultrapure Water)
• N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)
• Isopropyl alcohol (IPA)
• Và nhiều dung môi khác

Giám sát mức độ hạt trước và sau quá trình thu hồi có lợi trong việc xác định chất lượng của dung dịch thu hồi trước khi dung dịch đó được sử dụng trong mẻ tiếp theo. Để có thêm thông tin chi tiết, xem các ghi chú ứng dụng bổ sung từ PMS: (Giám sát Hạt trong Hóa chất Quy trình, Hiểu về Ô nhiễm Hạt nano trong Hệ thống UPW)

Giám sát Phòng sạch Sol khí trong Quy trình Sản xuất Pin

Nhìn chung, giám sát phòng sạch và quy trình đối với chất ô nhiễm sol khí là một thực hành quan trọng và đã được thiết lập tốt trong sản xuất pin, hỗ trợ kiểm soát các hạt trong không khí có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn sản phẩm. Các máy giám sát sol khí IsoAir® rất phù hợp cho các ứng dụng này nhờ:

• Lưu lượng dòng chảy tối ưu
• Độ nhạy kích thước đặc biệt
• Khả năng tích hợp linh hoạt với các đầu dò nhiệt độ và độ ẩm tương đối (TRH)

Các khu vực quy trình phổ biến nơi giám sát với thiết bị IsoAir mang lại thông tin chi tiết có giá trị bao gồm:

• - Phủ (coating)
• - Sấy (drying)
• - Cán (calendaring)
• - Cắt (slitting)
• - Lắp ráp cell (cell assembly)
• - Nạp (filling)

(Xem Hình 1). Dữ liệu liên tục từ các điểm này sẽ cho phép các nhà sản xuất phát hiện sớm các rủi ro trong không khí, duy trì sự ổn định quy trình và bảo vệ cả năng suất sản phẩm lẫn an toàn người lao động.

Giám sát Đường ống Khí Áp suất Cao

Các đầu vào khí áp suất cao thường được giám sát bởi Bộ khuếch tán Áp suất Cao (HPD - High Pressure Diffuser) kết hợp với máy đếm hạt IsoAir hoặc Lasair® Pro. Hình 3 thể hiện tính linh hoạt của IsoAir Pro Plus với Bộ khuếch tán Áp suất Cao II (HPD II) trên đường ống Khí khô sạch (CDA - Clean Dry Air) trong môi trường sản xuất pin. Dữ liệu cho thấy:

• Các xung bơm ở các khoảng thời gian đều đặn
• Bắt đầu công việc bao gồm các thao tác van thường xuyên

Cung cấp thông tin chi tiết về nguồn gốc, cường độ và tần suất của các sự kiện hạt

Hình 3: THIẾT LẬP ISOAIR PRO-PLUS KIỂM TRA CDA ÁP SUẤT CAO VỚI HPD II

Cấu hình hệ thống:

• Đường ống khí áp suất cao (High Pressure Gas Line)
• Kết nối HPD II với IsoAir Pro-Plus
• Biểu đồ thể hiện số lượng hạt chuẩn hóa (0,5µm) theo thời gian (số phút mẫu)

Chứng nhận Phòng sạch

Ngoài việc duy trì kiểm soát các quy trình sạch bằng cách giám sát nơi sản phẩm được tiếp xúc hoặc tại các bước quan trọng trong sản xuất, các thiết bị sol khí có thể xác minh và duy trì chứng nhận của toàn bộ môi trường phòng sạch theo tiêu chuẩn ISO 14644. Các ghi chú ứng dụng bổ sung về chứng nhận và giám sát phòng sạch có thể tìm thấy trên trang Ghi chú Ứng dụng của website Particle Measuring Systems.

Kết luận

Các ngành công nghiệp pin lithium-ion và bán dẫn đang chuẩn bị cho sự tăng trưởng song song trong thập kỷ tới, được thúc đẩy bởi nhu cầu toàn cầu về:

• Năng lượng sạch hơn
• Điện tử tiên tiến
• Sản xuất bền vững

Khi khối lượng sản xuất tăng và yêu cầu về độ chính xác ngày càng chặt chẽ hơn, nhu cầu kiểm soát ô nhiễm nghiêm ngặt trở nên ngày càng quan trọng.

Particle Measuring Systems cung cấp các công cụ và chuyên môn mà các nhà sản xuất cần để đối mặt với những thách thức này. Với khả năng đo lường chính xác, đáng tin cậy ở mọi bước quan trọng, bạn có thể đảm bảo kết quả nhất quán và bảo vệ cả quy trình lẫn sản phẩm của mình.

Tài liệu tham khảo

Pall Corporation. (2024, Tháng 5). Powering the Future: Tackling Contamination in Lithium-Ion Battery Manufacturing. Pall. https://www.pall.com/content/dam/pall/chemicals-polymers/literature-library/non-gated/case-study/cellmanufacturing.pdf

Leventcov, A. (2024, Ngày 26 tháng 4). Clean room atmosphere requirements for battery production. AFRY. https://afry.com/en/insight/clean-room-atmosphere-requirements-battery-production