نیازهای روزافزون برای راه حل‌های نوآورانه ذخیره انرژی، تولیدکنندگان را تحت فشار قرار می‌دهد تا تولید باتری های لیتیوم-یون، سدیم-یون و باتری‌های حالت جامد قابل شارژ را افزایش دهند و در عین حال تعادل ظریف مورد نیاز برای فرایندهای تولید کارآمد و ایمن را حفظ کنند.
از تولید الکترود تا تولید سلول، سیستم‌های کنترل و اندازه‌گیری رطوبت کارآمد، به‌عنوان فناوری حیاتی برای خط تولید محسوب می‌شود تا بتواند در شرایط سخت، مقاومت کند. هنگامی که خشک کردن کاتد به‌تنهایی می‌تواند تا 45 درصد از کل انرژی مصرف شده در یک اتاق خشک را مصرف کند، در نتیجه هرگونه ناکارآمدی می‌تواند منجر به مشکلات افزایش هزینه‌های تولید، کاهش کیفیت باتری و خطرات احتمالی ایمنی شود. لذا اندازه‌گیری دقیق نقطه شبنم به‌عنوان پارامتری ایدئال برای بهینه‌سازی تولید باتری مهم است.
چالش‌های تولید باتری
ساخت باتری‌های قابل شارژ فرایندی پیچیده است. حل چالش‌های متفاوت در طی فرایند تولید باتری می‌توانند به نتایجی مانند زمان‌های شارژ کوتاه‌تر یا کاهش وزن باتری، منجر شوند. مرحله میانی تولید باتری شامل تولید الکترود، مونتاژ سلول و نهایی شدن سلول، مستعد رطوبت است. حتی سطوح رطوبت ناچیز نیز می‌تواند واکنش‌های ناخواسته‌ای ایجاد کند که کیفیت و ایمنی باتری را به خطر می‌اندازد و به محیط‌هایی با رطوبت بسیار کم و کنترل‌شده مانند اتاق‌های خشک، غرفه‌های خشک و جعبه‌های دستکش نیاز دارد.
خشک کردن کاتد مرحله‌ای مهم اما پرهزینه در تولید الکترود است، به خصوص اگر بهینه نشده باشد. خشک شدن به‌موقع الکترودها از تخریب بالقوه عملکرد باتری می‌کاهد، زیرا رطوبت باقی‌مانده و ناخالصی‌های حلال می‌تواند عملکرد آنها را تحت‌تأثیر قرار دهد. همچنین ناهماهنگی در ساخت لایه‌های الکترود می‌تواند عملکرد سلول و ماژول را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد و منجر به کاهش ظرفیت یا کاهش ظرفیت در طول زمان شود. خشک کردن بر ضخامت و تخلخل الکترودها نیز تأثیر می‌گذارد. میزان ضخامت و تخلخل الکترودها ازجمله عواملی هستند که بر ظرفیت و مقاومت داخلی باتری‌ها تأثیر می‌گذارند. به‌طور سنتی، ابزارآلات اندازه‌گیری رطوبت، دستگاه‌هایی حجیم و با هزینه تعمیر و نگهداری بالا بوده‌اند که برای مقاومت در برابر رطوبت بسیار کم و دماهای بالا، تلاش می‌کنند. ازاین‌رو، بر نیاز حیاتی به راه حل‌های کنترل و اندازه‌گیری رطوبت قوی و کارآمد تأکید می‌شود.
فرایندهای خشک کردن مؤثر به چند دلیل حیاتی هستند:
- ایمنی: مواد شیمیایی مورد استفاده در تولید باتری نسبت به رطوبت بسیار حساس هستند و درصورت قرار گرفتن در معرض رطوبت بالا، خطر انفجار را به‌همراه خواهند داشت.
- کیفیت و بازده: حفظ سطح رطوبت مطلوب در طول فرایند تولید، سبب به حداکثر رساندن محصول و تضمین کیفیت و طول عمر ثابت محصول می‌شود.
- بهینه‌سازی انرژی: حفظ خشکی بهینه محیط اتاق خشک، از خشک شدن بیش از حد و پرهزینه جلوگیری می‌کند.
محیط‌های معمولی تولید باتری، مانند اتاق‌های خشک، دمای نقطه شبنم محیط را بین 30- درجه سانتی‌گراد و 40- درجه سانتی‌گراد از طریق خشک‌کن‌های پیشرفته که به‌طور مداوم هوای خشک را به داخل اتاق فشار می‌دهند، حفظ می‌کنند. فناوری‌های جدیدتر مانند باتری‌های حالت جامد ممکن است به شرایط خشک‌تر با دمای نقطه شبنم تا منفی80 درجه سانتی‌گراد در تک‌تک مراحل پردازش نیاز داشته باشند.
دستیابی و حفظ چنین سطوح رطوبت بسیار کم در کل یک اتاق خشک ازنظر اقتصادی امکان‌پذیر نیست. در نتیجه، تولیدکنندگان اغلب از غرفه‌های خشک یا جعبه‌های دستکش برای این فرایندهای خاص استفاده می‌کنند. حتی در چنین محیط‌های بسته‌ای، سطوح رطوبت همچنان باید به‌دقت کنترل شود تا شرایط بهینه حفظ گردد. در نتیجه، لازم است حسگرهای نقطه شبنم در خشک‌کن بسیار حساس بوده و امکان کنترل سریع و دقیق را در هر مرحله تولید فراهم کنند. بااین‌حال، دقت سنسور به‌تنهایی نمی‌تواند از مشکلاتی مانند خشک شدن بیش از حد جلوگیری کند. در نتیجه استفاده از پروب‌هایی با زمان پاسخ سریع، بدون حلقه‌های کنترل اندازه‌گیری داخلی پیچیده، به‌طور قابل توجهی بر خشک‌کن و کنترل کلی اتاق خشک تأثیر می‌گذارند.
بهترین روش‌های اندازه‌گیری صنعتی
رهبران صنعت چندین راهبرد کلیدی را برای بهینه‌سازی فرایندهای تولید باتری اتخاذ می‌کنند، ازجمله استفاده از اندازه‌گیری نقطه شبنم برای بهینه‌سازی فرایند، زیرا دما بر نقطه شبنم تأثیر نمی‌گذارد. محصولات اندازه‌گیری و پارامترهای مشابه در مراحل مختلف خشک کردن نتایج قابل مقایسه و بهینه‌سازی فرایند آسان‌تری را ارائه می‌دهند. انتخاب پروب‌هایی با تحمل شیمیایی عالی و زمان پاسخ سریع نیز به حفظ اندازه‌گیری‌های دقیق کمک می‌کند. قرار دادن سنسور راهبردی و نظارت بر سطوح رطوبت در چندین مرحله از فرایند خشک کردن، نتایج قابل مقایسه را در مراحل مختلف نشان می‌دهد و کنترل دقیق و بهینه‌سازی را هدایت می‌کند.
خوشبختانه، نوآوری‌های اخیر منجر به توسعه ابزارهای کنترل نقطه شبنم بسیار پاسخ‌گو، دقیق و با هزینه تعمیر و نگهداری پایین شده است که فرایندهای تولید را از چند طریق بهبود می‌بخشد:
- دقت بهبود یافته: فناوری‌های حسگر جدید پایداری اندازه‌گیری عالی را حتی در سخت‌ترین شرایط ارائه می‌دهند و کنترل دقیق را تضمین می‌کنند.
- زمان پاسخ سریع: پاسخ سریع به تغییرات رطوبت باعث کاهش اتلاف انرژی و بهبود قوام محصول می‌شود.
- تحمل شیمیایی: حسگرهای پیشرفته می‌توانند در برابر مواد شیمیایی خشن مانند حلال N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) مقاومت کنند و قابلیت اطمینان را افزایش داده و نیازهای تعمیر و نگهداری را کاهش دهند.
- دوام گرما: سنسورهایی که قادر به کار در دماهای بالا (در برخی موارد تا 160 درجه سانتی‌گراد) هستند، امکان اندازه‌گیری در محل در محیط‌های خشک را فراهم می‌کنند.
- توقف تولید حداقلی: اندازه‌گیری‌های پایدار در طول زمان نیاز به کالیبراسیون مجدد و توقف تولید را کاهش می‌دهد.
تقویت مسیر در تولید باتری
ازآنجاکه صنعت باتری برای رفع نیازهای مدرن به تکامل خود ادامه می‌دهد، فناوری‌های اندازه‌گیری پیشرفته در فرایندهای تولید می‌تواند به غلبه بر چالش‌های کنترل رطوبت کمک کند. نسل بعدی باتری‌هایی که در حال طراحی هستند، تقاضای فزاینده‌ای برای نقاط شبنم کمتر از منفی 75 درجه سانتی‌گراد و حتی کمتر را نشان می‌دهند، زیرا مصرف انرژی برای نگهداری اتاق‌های خشک همچنان بخش مهمی از هزینه تولید باتری لیتیوم-یون را تشکیل می‌دهد. برای به حداقل رساندن هزینه تولید باتری‌ها، لازم است اتاق خشک به‌گونه‌ای ساخته شود که نفوذ را تا حد ممکن کاهش دهد. مهم‌تر از همه، سیستم‌های خشک کردن هوای اتاق باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که تا حد امکان در مصرف انرژی بهینه باشند و همچنین بتوانند به‌سرعت در برابر شرایط متغیر خارجی واکنش نشان دهند. با در نظر گرفتن این اهداف، شرکت‌هایی در این حوزه نوآوری‌هایی را برای تأمین این نیازها صورت داده‌اند. استفاده از رطوبت‌گیرهای خشک‌کننده دو روتور برای تأمین مداوم هوا با نقطه شبنم پایین به فضاهای تولیدی، نمونه‌ای از این طرح‌ها است.
بیشتر بخوانید:
