I aluminium-plastfilmen som brukes til litium-ion-batterier, er PP-kjernerør, primært CPP, det desidert vanligste valget for det indre laget, mensPE kjernerører praktisk talt aldri brukt.
Hovedårsaken er at PP-kjernerør overgår PE-kjernerør i elektrolyttmotstand, høytemperaturmotstand, varmeforseglingsstyrke og motstand mot svelling og korrosjon. Disse egenskapene gjør PP bedre egnet til de strenge kravene til sikkerhet og levetid for litium-ion-batterier.
Typisk aluminium-plastfilmstruktur
En typisk aluminium-plastfilmstruktur for litiumion-poseceller består av flere funksjonelle lag. Hvert lag bidrar til den generelle barriereytelsen, den mekaniske beskyttelsen og varmeforseglingsevnen til filmen.
| Lag | Typisk tykkelse | Funksjon |
|---|---|---|
| KJÆLEDYR | 6 μm | Ytre beskyttelseslag |
| Ytre lag lim | 3 μm | Bindelag |
| NY | 15 μm | Mekanisk støttelag |
| Ytre lag lim | 3 μm | Bindelag |
| AL | 40 μm | Metallbarrierelag |
| Innerlags lim | 3 μm | Bindelag |
| CPP | 80 μm | Indre varmeforseglingslag |
1. Utilstrekkelig elektrolyttmotstand og risiko for hevelse
Kjernefunksjonen til aluminium-plastfilm i litium-ion-poseceller er å kapsle inn cellen og isolere den fra det ytre miljøet. Det indre varmeforseglingslaget bruker vanligvis støpt polypropylen (CPP), nettopp på grunn av dets utmerkede motstand mot elektrolytt.
Den molekylære strukturen til PE består av en fullstendig symmetrisk repeterende enhet av -CH2-CH2-, uten sidekjedemetylgrupper, og dens kjedesegmenter viser høy fleksibilitet. Løselighetsparameteren (16,0–16,5 MPa¹ᐟ²) samsvarer nøye med karbonatbaserte elektrolyttløsningsmidler, som DMC, EMC og EC, med løselighetsparametere på 16,5–17,5 MPa¹ᐟ². Dette gjør PE svært utsatt for hevelse, permeasjon og til og med oppløsning av elektrolytten.
Hvis en PE-rørkjerne brukes til å vikle aluminium-plastfilm, under påfølgende battericelleinnkapsling, dannelse og aldring, prosesser som involverer kontakt med elektrolytten, kan rørkjernen svelle og deformeres. Dette kan føre til ujevn indre spenning i filmrullen og kan forårsake delaminering av aluminium-plastfilmen eller elektrolyttlekkasje, noe som direkte påvirker batterisikkerheten.
Derimot har polypropylen (PP), på grunn av den steriske hindringen forårsaket av dets metylgrupper, en løselighetsparameter på 17,5–18,5 MPa¹ᐟ², som er utenfor det typiske området for elektrolyttløsningsmidlene beskrevet ovenfor. Den viser betydelig mindre hevelse og er derfor mer egnet for denne applikasjonen.
2. Mekanisk styrke og formingspresisjon påvirker viklingskvaliteten
Aluminium-plastfilm for litiumion-poseceller er en presisjonsfilm med høy verdi som krever høye standarder for flathet og konsentrisitet under vikling. Strekkfastheten til PE-materiale (≥20 MPa) er lavere enn for PP (≥30 MPa), og PE har også lavere stivhet.
Under den høye spenningen som utøves under høyhastighetsvikling, er PE-kjerner mer utsatt for deformasjon og rundhetsavvik. Disse dimensjonsendringene kan bidra til ujevne kanter, bretter og tunnelering i filmruller.
PE kjernerør
Lavere strekkfasthet og stivhet kan gjøre PE-kjerner mer utsatt for deformasjon under høy viklingsspenning, noe som påvirker rullegeometri og viklingskonsistens.
ABS og PP kjernerør
ABS-, PP- og FRP-kjernerør gir større stivhet og dimensjonsstabilitet, og bidrar til å opprettholde filmrullkonsentrisitet under høyhastighetsspalting og vikling.
Spesielt ABS-kjernerør kombinerer seighet med stivhet. Når de produseres under kontrollerte renromsforhold, kan de også bidra til å kontrollere overflaterenheten og redusere risikoen for at fremmedlegemer forurenser aluminium-plastfilmen.
3. Dårlig høytemperaturmotstand begrenser prosesskompatibilitet
Produksjon av aluminium-plastfilm for litium-ion-batterier, samt produksjon av battericeller, involverer høytemperaturstadier som baking, varmeforsegling og formasjon. Temperaturene kan ofte nå 80–120 °C.
PE har et relativt lavt smeltepunkt på omtrent 105–130 °C og en maksimal kontinuerlig driftstemperatur under 80 °C. Ved høye temperaturer kan PE myke og krype, noe som potensielt kan resultere i dimensjonsdeformasjon. Dette kan påvirke viklingsstabiliteten og påfølgende avvikling og bearbeiding.
PP:PP har et smeltepunkt på omtrent 160–170 °C og kan holde seg stabilt over lange perioder i miljøer rundt 100–120 °C.
ABS:ABS-kjernerør gir også temperaturmotstand egnet for standard prosesskrav, og hjelper til med å unngå deformasjon under relevante prosesstrinn.
Sammenlignet med PE, PP og egnede ABS-kjernerør gir derfor bedre dimensjonsstabilitet under temperaturforholdene knyttet til aluminium-plastfilmbehandling og batteriproduksjon.
4. Bransjekompatibilitet og renslighetskrav
Litiumionbatteriindustrien stiller strenge krav til renslighet til produksjonsmiljøet. Som innkapslingsmateriale for battericeller må aluminium-plastfilm beskyttes mot fremmedlegemer og støvforurensning under produksjon og håndtering.
Produksjonsprosessen for PE-kjerner involverer typisk standard ekstrudering. Avhengig av produksjonsmiljøet og prosesskontrollene, kan den resulterende overflaterenheten ikke oppfylle kravene til litium-ion-batterier i renromsapplikasjoner. Overflateavfall og elektrostatisk tiltrekking av støv kan øke forurensningsrisikoen under filmvikling og håndtering.
Av denne grunn inkluderer de vanlige valgene for viklingskjerner brukt med aluminium-plastfilm for litiumion-poseceller høypresisjons ABS- og PP-kjernerør. Med passende produksjonskontroller, renromsproduksjon og antistatisk behandling, kan disse materialene møte krav knyttet til renslighet, dimensjonsnøyaktighet og kjemisk motstand.
PE-kjerner er derfor oftere assosiert med generelle filmviklingsapplikasjoner hvor kravene til dimensjonell presisjon, kjemisk motstand og renslighet er mindre krevende.
PE vs. PP kjernerør for aluminium-plastfilm
| Ytelsesfaktor | PE kjernerør | PP kjernerør |
|---|---|---|
| Elektrolyttmotstand | Mer utsatt for hevelse og permeasjon | Bedre motstand mot elektrolyttrelatert hevelse |
| Mekanisk stivhet | Lavere stivhet | Høyere stivhet og dimensjonsstabilitet |
| Vikle presisjon | Mer utsatt for deformasjon under høy spenning | Bedre egnet til presisjonsvikling |
| Temperaturmotstand | Mer utsatt for å mykne og krype ved høye temperaturer | Høyere smeltepunkt og bedre høytemperaturstabilitet |
| Applikasjonskompatibilitet | Mer egnet for generell filmvikling | Mye brukt for krevende filmviklingsapplikasjoner |
| Renslighetskrav | Krever passende prosess- og miljøkontroller | Kan produseres med kontrollert renhet for krevende bruksområder |
Hvorfor er PP- og ABS-kjernerør ofte brukt?
Valget av en viklingskjerne for aluminium-plastfilm bestemmes ikke av en enkelt materialegenskap. Kjernen må opprettholde dimensjonsstabilitet under vikling og påfølgende håndtering, samtidig som den er kompatibel med kjemiske, termiske og renhetskrav knyttet til produksjon av litiumionbatterier.
Dimensjonsstabilitet
PP- og ABS-kjernerør gir stivheten og dimensjonsstabiliteten som kreves for å opprettholde rullegeometrien under vikling, slissing og transport.
Kjemisk motstand
PP gir sterk motstand mot det kjemiske miljøet forbundet med litium-ion batteriapplikasjoner, og reduserer risikoen for hevelse og materialnedbrytning.
Temperaturstabilitet
PP og egnede ABS-kjernerør kan gi bedre dimensjonsstabilitet under prosessforhold med forhøyede temperaturer enn PE.
Ren produksjon
Kontrollerte produksjonsmiljøer og antistatisk behandling kan hjelpe PP- og ABS-kjernerør med å oppfylle kravene til renslighet og forurensningskontroll for krevende filmapplikasjoner.
PE kjernerører sjelden valgt for vikling av aluminium-plastfilm som brukes i litium-ion-posebatterier fordi ytelsen deres ikke samsvarer like godt med de kombinerte kravene til elektrolyttmotstand, mekanisk stivhet, dimensjonsstabilitet, temperaturmotstand og renslighet.
PP- og ABS-kjernerør brukes oftere fordi de kan gi den kjemiske motstanden, dimensjonsstabiliteten, temperaturytelsen og den kontrollerte rensligheten som kreves for presisjonsvikling av aluminium-plastfilm. Det riktige kjernematerialet avhenger til syvende og sist av den spesifikke filmstrukturen, viklingsprosessen og produksjonskravene.
