No filme plástico de alumínio usado para baterias de íon-lítio, os tubos centrais de PP, principalmente CPP, são de longe a escolha mais comum para a camada interna, enquantoTubos centrais PEpraticamente nunca são usados.
A principal razão é que os tubos com núcleo de PP superam os tubos com núcleo de PE em resistência a eletrólitos, resistência a altas temperaturas, resistência à vedação térmica e resistência ao inchaço e à corrosão. Essas propriedades tornam o PP mais adequado aos rigorosos requisitos de segurança e vida útil das baterias de íon-lítio.
Estrutura típica de filme plástico-alumínio
Uma estrutura típica de filme plástico de alumínio para células de bolsa de íons de lítio consiste em múltiplas camadas funcionais. Cada camada contribui para o desempenho geral da barreira, proteção mecânica e capacidade de vedação térmica do filme.
| Camada | Espessura Típica | Função |
|---|---|---|
| BICHO DE ESTIMAÇÃO | 6 μm | Camada protetora externa |
| Adesivo de camada externa | 3 μm | Camada de ligação |
| Nova Iorque | 15 μm | Camada de suporte mecânico |
| Adesivo de camada externa | 3 μm | Camada de ligação |
| AL | 40 μm | Camada de barreira metálica |
| Adesivo de camada interna | 3 μm | Camada de ligação |
| PCP | 80 μm | Camada interna de vedação térmica |
1. Resistência eletrolítica insuficiente e risco de inchaço
A função principal do filme plástico de alumínio nas células de bolsa de íons de lítio é encapsular a célula e isolá-la do ambiente externo. A camada interna de vedação térmica geralmente utiliza polipropileno fundido (CPP), justamente por sua excelente resistência ao eletrólito.
A estrutura molecular do PE consiste em uma unidade repetitiva completamente simétrica de -CH2-CH2-, sem grupos metila na cadeia lateral, e seus segmentos de cadeia exibem alta flexibilidade. Seu parâmetro de solubilidade (16,0–16,5 MPa¹ᐟ²) se aproxima muito do dos solventes eletrolíticos à base de carbonato, como DMC, EMC e EC, com parâmetros de solubilidade de 16,5–17,5 MPa¹ᐟ². Isto torna o PE altamente suscetível ao inchaço, à permeação e até mesmo à dissolução pelo eletrólito.
Se um núcleo de tubo PE for usado para enrolar filme plástico de alumínio, durante o subsequente encapsulamento, formação e envelhecimento da célula da bateria, processos que envolvem contato com o eletrólito, o núcleo do tubo pode inchar e deformar. Isto pode causar tensões internas irregulares no rolo de filme e causar delaminação do filme plástico de alumínio ou vazamento de eletrólito, afetando diretamente a segurança da bateria.
Em contraste, o polipropileno (PP), devido ao impedimento estérico causado pelos seus grupos metila, tem um parâmetro de solubilidade de 17,5–18,5 MPa¹ᐟ², que está fora da faixa típica dos solventes eletrolíticos descritos acima. Apresenta significativamente menos inchaço e, portanto, é mais adequado para esta aplicação.
2. A resistência mecânica e a precisão da formação afetam a qualidade do enrolamento
O filme plástico de alumínio para células de bolsa de íons de lítio é um filme de precisão de alto valor agregado que exige altos padrões de planicidade e concentricidade durante o enrolamento. A resistência à tração do material PE (≥20 MPa) é inferior à do PP (≥30 MPa), e o PE também possui menor rigidez.
Sob a alta tensão exercida durante o enrolamento de alta velocidade, os núcleos de PE são mais propensos a deformações e desvios de circularidade. Essas alterações dimensionais podem contribuir para bordas irregulares, vincos e tunelamentos em rolos de filme.
Tubos centrais PE
A menor resistência à tração e rigidez podem tornar os núcleos de PE mais suscetíveis à deformação sob alta tensão de enrolamento, afetando a geometria do rolo e a consistência do enrolamento.
Tubos centrais ABS e PP
Os tubos centrais em ABS, PP e FRP proporcionam maior rigidez e estabilidade dimensional, ajudando a manter a concentricidade do rolo de filme durante corte e enrolamento em alta velocidade.
Os tubos com núcleo ABS, em particular, combinam resistência com rigidez. Quando produzidos em condições controladas de sala limpa, eles também podem ajudar a controlar a limpeza da superfície e reduzir o risco de materiais estranhos contaminarem o filme plástico de alumínio.
3. Fraca compatibilidade do processo com limites de resistência a altas temperaturas
A produção de filme plástico de alumínio para baterias de íon-lítio, bem como a fabricação de células de bateria, envolve etapas de alta temperatura, como cozimento, selagem térmica e formação. As temperaturas podem frequentemente atingir 80–120 °C.
O PE tem um ponto de fusão relativamente baixo de aproximadamente 105–130 °C e uma temperatura máxima de operação contínua abaixo de 80 °C. Em temperaturas elevadas, o PE pode amolecer e rastejar, resultando potencialmente em deformação dimensional. Isto pode afetar a estabilidade do enrolamento e o subsequente desenrolamento e processamento.
PP:O PP tem um ponto de fusão de aproximadamente 160–170 °C e pode permanecer estável por longos períodos em ambientes em torno de 100–120 °C.
ABS:Os tubos com núcleo ABS também fornecem resistência à temperatura adequada para requisitos de processo padrão, ajudando a evitar deformação durante estágios de processamento relevantes.
Em comparação com PE, PP e tubos com núcleo ABS adequados, portanto, proporcionam melhor estabilidade dimensional sob as condições de temperatura associadas ao processamento de filme plástico de alumínio e à fabricação de baterias.
4. Requisitos de compatibilidade e limpeza da indústria
A indústria de baterias de íons de lítio impõe requisitos rigorosos de limpeza ao ambiente de produção. Como material de encapsulamento para células de bateria, o filme plástico de alumínio deve ser protegido contra materiais estranhos e contaminação por poeira durante a fabricação e manuseio.
O processo de produção de núcleos de PE normalmente envolve extrusão padrão. Dependendo do ambiente de fabricação e dos controles do processo, a limpeza da superfície resultante pode não atender aos requisitos das aplicações em salas limpas com baterias de íons de lítio. Detritos superficiais e atração eletrostática de poeira podem aumentar os riscos de contaminação durante o enrolamento e manuseio do filme.
Por esse motivo, as principais opções para núcleos de enrolamento usados com filme plástico de alumínio para células de bolsa de íons de lítio incluem tubos de núcleo ABS e PP de alta precisão. Com controles de fabricação adequados, produção em sala limpa e tratamento antiestático, esses materiais podem atender aos requisitos relacionados à limpeza, precisão dimensional e resistência química.
Os núcleos de PE são, portanto, mais comumente associados a aplicações de enrolamento de filme de uso geral, onde os requisitos de precisão dimensional, resistência química e limpeza são menos exigentes.
Tubos centrais PE vs. PP para filme plástico de alumínio
| Fator de Desempenho | Tubos centrais PE | Tubos de núcleo PP |
|---|---|---|
| Resistência eletrolítica | Mais suscetível a inchaço e permeação | Melhor resistência ao inchaço relacionado aos eletrólitos |
| Rigidez Mecânica | Menor rigidez | Maior rigidez e estabilidade dimensional |
| Precisão de enrolamento | Mais suscetível à deformação sob alta tensão | Mais adequado para enrolamento de precisão |
| Resistência à temperatura | Mais propenso a amolecer e rastejar em temperaturas elevadas | Maior ponto de fusão e melhor estabilidade em altas temperaturas |
| Compatibilidade de aplicativos | Mais adequado para enrolamento de filme de uso geral | Amplamente utilizado para aplicações exigentes de enrolamento de filme |
| Requisitos de limpeza | Requer processos apropriados e controles ambientais | Pode ser fabricado com limpeza controlada para aplicações exigentes |
Por que os tubos principais PP e ABS são comumente usados?
A seleção de um núcleo de enrolamento para filme plástico de alumínio não é determinada por uma única propriedade do material. O núcleo precisa manter a estabilidade dimensional durante o enrolamento e o manuseio subsequente, ao mesmo tempo que é compatível com os requisitos químicos, térmicos e de limpeza associados à fabricação de baterias de íons de lítio.
Estabilidade Dimensional
Os tubos centrais de PP e ABS fornecem a rigidez e a estabilidade dimensional necessárias para manter a geometria do rolo durante o enrolamento, corte e transporte.
Resistência Química
O PP oferece forte resistência ao ambiente químico associado às aplicações de baterias de íons de lítio, reduzindo o risco de inchaço e degradação do material.
Estabilidade de temperatura
Tubos centrais de PP e ABS adequados podem fornecer melhor estabilidade dimensional sob condições de processamento de temperatura elevada do que PE.
Fabricação Limpa
Ambientes de fabricação controlados e tratamento antiestático podem ajudar os tubos com núcleo de PP e ABS a atender aos requisitos de limpeza e controle de contaminação de aplicações exigentes de filmes.
Tubos centrais PEraramente são selecionados para enrolar filme plástico de alumínio usado em baterias de íon-lítio porque seu desempenho não se alinha tão bem com os requisitos combinados de resistência eletrolítica, rigidez mecânica, estabilidade dimensional, resistência à temperatura e limpeza.
Os tubos com núcleo de PP e ABS são mais comumente usados porque podem fornecer resistência química, estabilidade dimensional, desempenho de temperatura e limpeza controlada necessários para o enrolamento preciso de filme plástico de alumínio. O material do núcleo apropriado depende, em última análise, da estrutura específica do filme, do processo de enrolamento e dos requisitos de fabricação.
