Nella pellicola di alluminio-plastica utilizzata per le batterie agli ioni di litio, i tubi centrali in PP, principalmente CPP, sono di gran lunga la scelta più comune per lo strato interno, mentreTubi centrali in PEnon vengono praticamente mai utilizzati.
Il motivo principale è che i tubi centrali in PP superano i tubi centrali in PE in termini di resistenza agli elettroliti, resistenza alle alte temperature, resistenza alla termosaldatura e resistenza al rigonfiamento e alla corrosione. Queste proprietà rendono il PP più adatto ai severi requisiti di sicurezza e durata delle batterie agli ioni di litio.
Tipica struttura del film in alluminio-plastica
Una tipica struttura di film in alluminio-plastica per celle a sacca agli ioni di litio è costituita da più strati funzionali. Ciascuno strato contribuisce alle prestazioni complessive di barriera, protezione meccanica e capacità di termosaldatura della pellicola.
| Strato | Spessore tipico | Funzione |
|---|---|---|
| ANIMALE DOMESTICO | 6 μm | Strato protettivo esterno |
| Adesivo dello strato esterno | 3 μm | Strato di legame |
| New York | 15 μm | Strato di supporto meccanico |
| Adesivo dello strato esterno | 3 μm | Strato di legame |
| AL | 40 μm | Strato barriera metallica |
| Adesivo dello strato interno | 3 μm | Strato di legame |
| CPP | 80 μm | Strato interno termosaldato |
1. Resistenza elettrolitica insufficiente e rischio di gonfiore
La funzione principale della pellicola di alluminio-plastica nelle celle a sacchetto agli ioni di litio è quella di incapsulare la cella e isolarla dall'ambiente esterno. Lo strato interno termosaldante utilizza generalmente polipropilene cast (CPP), proprio per la sua ottima resistenza all'elettrolita.
La struttura molecolare del PE è costituita da un'unità ripetitiva completamente simmetrica di -CH₂-CH₂-, senza gruppi metilici nella catena laterale, e i suoi segmenti di catena mostrano un'elevata flessibilità. Il suo parametro di solubilità (16,0–16,5 MPa¹ᐟ²) corrisponde strettamente a quello dei solventi elettrolitici a base di carbonato, come DMC, EMC ed EC, con parametri di solubilità di 16,5–17,5 MPa¹ᐟ². Ciò rende il PE altamente suscettibile al rigonfiamento, alla permeazione e persino alla dissoluzione da parte dell'elettrolita.
Se si utilizza un nucleo del tubo in PE per avvolgere una pellicola di alluminio-plastica, durante il successivo incapsulamento, formazione e invecchiamento delle celle della batteria, processi che comportano il contatto con l'elettrolita, il nucleo del tubo potrebbe gonfiarsi e deformarsi. Ciò può portare a sollecitazioni interne irregolari all'interno del rotolo di pellicola e può causare la delaminazione della pellicola di alluminio-plastica o perdite di elettrolita, con conseguenze dirette sulla sicurezza della batteria.
Al contrario, il polipropilene (PP), a causa dell'ingombro sterico causato dai suoi gruppi metilici, ha un parametro di solubilità di 17,5–18,5 MPa¹ᐟ², che è al di fuori dell'intervallo tipico dei solventi elettrolitici sopra descritti. Presenta un rigonfiamento significativamente inferiore ed è quindi più adatto a questa applicazione.
2. La resistenza meccanica e la precisione di formatura influiscono sulla qualità dell'avvolgimento
La pellicola in alluminio-plastica per celle a sacchetto agli ioni di litio è una pellicola di precisione ad alto valore aggiunto che richiede elevati standard di planarità e concentricità durante l'avvolgimento. La resistenza alla trazione del materiale PE (≥20 MPa) è inferiore a quella del PP (≥30 MPa) e anche il PE ha una rigidità inferiore.
Sotto l'elevata tensione esercitata durante l'avvolgimento ad alta velocità, i nuclei in PE sono più soggetti a deformazioni e deviazioni di rotondità. Questi cambiamenti dimensionali possono contribuire a bordi irregolari, pieghe e tunneling nei rulli di pellicola.
Tubi con nucleo in PE
Una minore resistenza alla trazione e rigidità possono rendere i nuclei in PE più suscettibili alla deformazione in condizioni di elevata tensione di avvolgimento, influenzando la geometria del rotolo e la consistenza dell'avvolgimento.
Tubi con nucleo in ABS e PP
I tubi centrali in ABS, PP e FRP forniscono maggiore rigidità e stabilità dimensionale, aiutando a mantenere la concentricità del rotolo di pellicola durante il taglio e l'avvolgimento ad alta velocità.
I tubi centrali in ABS, in particolare, combinano robustezza e rigidità. Se prodotti in condizioni controllate di camera bianca, possono anche aiutare a controllare la pulizia della superficie e ridurre il rischio che corpi estranei contaminino la pellicola di alluminio-plastica.
3. Scarsa resistenza alle alte temperature limita la compatibilità del processo
La produzione di pellicole in alluminio-plastica per batterie agli ioni di litio, così come la produzione di celle di batterie, prevede fasi ad alta temperatura come cottura, termosaldatura e formazione. Le temperature possono spesso raggiungere gli 80–120 °C.
Il PE ha un punto di fusione relativamente basso di circa 105–130 °C e una temperatura massima di funzionamento continuo inferiore a 80 °C. A temperature elevate, il PE può ammorbidirsi e deformarsi, con conseguente potenziale deformazione dimensionale. Ciò può compromettere la stabilità dell'avvolgimento e il successivo svolgimento e lavorazione.
PP:Il PP ha un punto di fusione di circa 160–170 °C e può rimanere stabile per lunghi periodi in ambienti intorno a 100–120 °C.
ABS:I tubi centrali in ABS forniscono inoltre una resistenza alla temperatura adatta ai requisiti di processo standard, contribuendo a evitare la deformazione durante le fasi di lavorazione rilevanti.
Rispetto al PE, al PP e ai tubi centrali in ABS garantiscono quindi una migliore stabilità dimensionale alle condizioni di temperatura associate alla lavorazione di pellicole di alluminio-plastica e alla produzione di batterie.
4. Compatibilità del settore e requisiti di pulizia
L’industria delle batterie agli ioni di litio impone severi requisiti di pulizia nell’ambiente di produzione. Essendo un materiale di incapsulamento per le celle della batteria, la pellicola di alluminio-plastica deve essere protetta da corpi estranei e contaminazione da polvere durante tutta la produzione e la movimentazione.
Il processo di produzione dei nuclei in PE prevede tipicamente l'estrusione standard. A seconda dell'ambiente di produzione e dei controlli del processo, la pulizia della superficie risultante potrebbe non soddisfare i requisiti delle applicazioni nelle camere bianche con batterie agli ioni di litio. I detriti superficiali e l'attrazione elettrostatica della polvere possono aumentare i rischi di contaminazione durante l'avvolgimento e la movimentazione della pellicola.
Per questo motivo, le scelte principali per i nuclei di avvolgimento utilizzati con pellicola di alluminio-plastica per celle a sacca agli ioni di litio includono tubi centrali in ABS e PP ad alta precisione. Con adeguati controlli di produzione, produzione in camera bianca e trattamento antistatico, questi materiali possono soddisfare i requisiti relativi a pulizia, precisione dimensionale e resistenza chimica.
I nuclei in PE sono quindi più comunemente associati ad applicazioni di avvolgimento di film per uso generale in cui i requisiti di precisione dimensionale, resistenza chimica e pulizia sono meno esigenti.
Tubi con nucleo in PE e PP per film in alluminio-plastica
| Fattore di prestazione | Tubi con nucleo in PE | Tubi con anima in PP |
|---|---|---|
| Resistenza agli elettroliti | Più suscettibile al gonfiore e alla permeazione | Migliore resistenza al rigonfiamento legato agli elettroliti |
| Rigidità meccanica | Rigidità inferiore | Maggiore rigidità e stabilità dimensionale |
| Precisione di carica | Più suscettibile alla deformazione sotto alta tensione | Più adatto all'avvolgimento di precisione |
| Resistenza alla temperatura | Più incline al rammollimento e allo scorrimento a temperature elevate | Punto di fusione più elevato e migliore stabilità alle alte temperature |
| Compatibilità delle applicazioni | Più adatto per l'avvolgimento di film per uso generale | Ampiamente usato per applicazioni impegnative di avvolgimento di film |
| Requisiti di pulizia | Richiede processi adeguati e controlli ambientali | Può essere prodotto con pulizia controllata per applicazioni impegnative |
Perché i tubi con nucleo in PP e ABS vengono comunemente utilizzati?
La scelta di un nucleo di avvolgimento per film in alluminio-plastica non è determinata da una singola proprietà del materiale. Il nucleo deve mantenere la stabilità dimensionale durante l’avvolgimento e la successiva movimentazione, pur essendo compatibile con i requisiti chimici, termici e di pulizia associati alla produzione di batterie agli ioni di litio.
Stabilità dimensionale
I tubi centrali in PP e ABS forniscono la rigidità e la stabilità dimensionale necessarie per mantenere la geometria del rotolo durante l'avvolgimento, il taglio e il trasporto.
Resistenza chimica
Il PP fornisce una forte resistenza all'ambiente chimico associato alle applicazioni con batterie agli ioni di litio, riducendo il rischio di rigonfiamento e degrado del materiale.
Stabilità della temperatura
Il PP e i tubi interni in ABS idonei possono fornire una migliore stabilità dimensionale in condizioni di lavorazione a temperature elevate rispetto al PE.
Produzione pulita
Gli ambienti di produzione controllati e il trattamento antistatico possono aiutare i tubi con nucleo in PP e ABS a soddisfare i requisiti di pulizia e controllo della contaminazione delle impegnative applicazioni di pellicola.
Tubi centrali in PEsono raramente selezionati per l'avvolgimento della pellicola di alluminio-plastica utilizzata nelle batterie con custodia agli ioni di litio perché le loro prestazioni non sono in linea con i requisiti combinati di resistenza agli elettroliti, rigidità meccanica, stabilità dimensionale, resistenza alla temperatura e pulizia.
I tubi con anima in PP e ABS sono più comunemente utilizzati perché possono fornire la resistenza chimica, la stabilità dimensionale, le prestazioni di temperatura e la pulizia controllata necessarie per l'avvolgimento di precisione di film di alluminio-plastica. Il materiale del nucleo appropriato dipende in ultima analisi dalla struttura specifica della pellicola, dal processo di avvolgimento e dai requisiti di produzione.
