In de aluminium-kunststoffilm die voor lithium-ionbatterijen wordt gebruikt, zijn PP-kernbuizen, voornamelijk CPP, veruit de meest gebruikelijke keuze voor de binnenlaag, terwijlPE-kernbuizenworden vrijwel nooit gebruikt.
De belangrijkste reden is dat PP-kernbuizen beter presteren dan PE-kernbuizen wat betreft elektrolytbestendigheid, hoge temperatuurbestendigheid, smeltlassterkte en weerstand tegen zwelling en corrosie. Deze eigenschappen maken PP beter geschikt voor de strenge veiligheids- en levensduureisen van lithium-ionbatterijen.
Typische aluminium-kunststoffilmstructuur
Een typische aluminium-kunststoffilmstructuur voor lithium-ion-buidelcellen bestaat uit meerdere functionele lagen. Elke laag draagt bij aan de algehele barrièreprestaties, mechanische bescherming en het smeltlasvermogen van de film.
| Laag | Typische dikte | Functie |
|---|---|---|
| HUISDIER | 6 µm | Buitenste beschermlaag |
| Buitenlaag lijm | 3 µm | Hechtlaag |
| NY | 15 μm | Mechanische steunlaag |
| Buitenlaag lijm | 3 µm | Hechtlaag |
| AL | 40 µm | Metalen barrièrelaag |
| Binnenlaag lijm | 3 µm | Hechtlaag |
| CPP | 80 µm | Binnenste smeltlaslaag |
1. Onvoldoende weerstand tegen elektrolyten en risico op zwelling
De kernfunctie van aluminium-plastic folie in lithium-ion-buidelcellen is het inkapselen van de cel en het isoleren van de cel van de externe omgeving. Voor de binnenste smeltlaslaag wordt doorgaans gebruik gemaakt van gegoten polypropyleen (CPP), juist vanwege de uitstekende weerstand tegen elektrolyt.
De moleculaire structuur van PE bestaat uit een volledig symmetrische herhalende eenheid van -CH₂-CH₂-, zonder methylgroepen in de zijketen, en de ketensegmenten vertonen een hoge flexibiliteit. De oplosbaarheidsparameter (16,0–16,5 MPa¹ᐟ²) komt nauw overeen met die van op carbonaat gebaseerde elektrolytoplosmiddelen, zoals DMC, EMC en EC, met oplosbaarheidsparameters van 16,5–17,5 MPa¹ᐟ². Dit maakt PE zeer gevoelig voor zwelling, permeatie en zelfs oplossing door de elektrolyt.
Als een PE-buiskern wordt gebruikt voor het wikkelen van aluminium-kunststoffolie, kan tijdens de daaropvolgende inkapseling, vorming en veroudering van de batterijcel, processen waarbij contact met de elektrolyt betrokken is, de buiskern opzwellen en vervormen. Dit kan leiden tot ongelijkmatige interne spanning binnen de filmrol en kan leiden tot delaminatie van de aluminium-kunststoffilm of lekkage van elektrolyt, wat de veiligheid van de batterij rechtstreeks beïnvloedt.
Daarentegen heeft polypropyleen (PP), vanwege de sterische hinder veroorzaakt door zijn methylgroepen, een oplosbaarheidsparameter van 17,5–18,5 MPa¹ᐟ², wat buiten het typische bereik ligt van de hierboven beschreven elektrolytoplosmiddelen. Het vertoont aanzienlijk minder zwelling en is daarom geschikter voor deze toepassing.
2. Mechanische sterkte en vormprecisie beïnvloeden de wikkelkwaliteit
Aluminium-kunststoffilm voor lithium-ion-zakjescellen is een precisiefilm met hoge toegevoegde waarde die hoge eisen stelt aan vlakheid en concentriciteit tijdens het opwikkelen. De treksterkte van PE-materiaal (≥20 MPa) is lager dan die van PP (≥30 MPa), en PE heeft ook een lagere stijfheid.
Onder de hoge spanning die wordt uitgeoefend tijdens het wikkelen met hoge snelheid, zijn PE-kernen gevoeliger voor vervorming en afwijkingen in de rondheid. Deze maatveranderingen kunnen bijdragen aan ongelijkmatige randen, vouwen en tunneling in filmrollen.
PE-kernbuizen
Een lagere treksterkte en stijfheid kunnen PE-kernen gevoeliger maken voor vervorming onder hoge wikkelspanning, wat de rolgeometrie en de wikkelconsistentie beïnvloedt.
Kernbuizen van ABS en PP
Kernbuizen van ABS, PP en FRP zorgen voor een grotere stijfheid en maatvastheid, waardoor de concentriciteit van de filmrol behouden blijft tijdens het snijden en oprollen op hoge snelheid.
Vooral ABS-kernbuizen combineren sterkte met stijfheid. Wanneer ze onder gecontroleerde cleanroomomstandigheden worden geproduceerd, kunnen ze ook helpen de oppervlaktereinheid te controleren en het risico te verminderen dat vreemde stoffen de aluminium-kunststoffilm verontreinigen.
3. Slechte weerstand tegen hoge temperaturen beperkt de procescompatibiliteit
De productie van aluminium-kunststoffilm voor lithium-ionbatterijen, evenals de productie van batterijcellen, omvat fasen bij hoge temperaturen, zoals bakken, smeltlassen en vorming. De temperatuur kan vaak oplopen tot 80–120 °C.
PE heeft een relatief laag smeltpunt van ongeveer 105–130 °C en een maximale continue bedrijfstemperatuur lager dan 80 °C. Bij hogere temperaturen kan PE zacht worden en gaan kruipen, wat mogelijk tot maatvervormingen kan leiden. Dit kan de wikkelstabiliteit en het daaropvolgende afwikkelen en verwerken beïnvloeden.
PP:PP heeft een smeltpunt van ongeveer 160–170 °C en kan gedurende lange perioden stabiel blijven in omgevingen rond de 100–120 °C.
ABS:ABS-kernbuizen bieden ook temperatuurbestendigheid die geschikt is voor standaard procesvereisten, waardoor vervorming tijdens relevante verwerkingsfasen wordt voorkomen.
Vergeleken met PE bieden PP en geschikte ABS-kernbuizen daarom een betere maatstabiliteit onder de temperatuuromstandigheden die gepaard gaan met de verwerking van aluminium-kunststoffilms en de productie van batterijen.
4. Vereisten voor industriële compatibiliteit en netheid
De lithium-ionbatterijindustrie stelt strenge eisen aan de hygiëne van de productieomgeving. Als inkapselingsmateriaal voor batterijcellen moet aluminium-kunststoffolie tijdens de productie en verwerking worden beschermd tegen vervuiling door vreemde stoffen en stof.
Het productieproces voor PE-kernen omvat doorgaans standaardextrusie. Afhankelijk van de productieomgeving en procescontroles voldoet de resulterende oppervlaktereinheid mogelijk niet aan de eisen van cleanroomtoepassingen met lithium-ionbatterijen. Oppervlakafval en de elektrostatische aantrekking van stof kunnen het besmettingsrisico tijdens het opwikkelen en hanteren van de film vergroten.
Om deze reden omvatten de reguliere keuzes voor het wikkelen van kernen die worden gebruikt met aluminium-kunststoffilm voor lithium-ion-buidelcellen onder meer uiterst nauwkeurige ABS- en PP-kernbuizen. Met geschikte productiecontroles, cleanroomproductie en antistatische behandeling kunnen deze materialen voldoen aan eisen met betrekking tot reinheid, maatnauwkeurigheid en chemische bestendigheid.
PE-kernen worden daarom vaker geassocieerd met filmwikkeltoepassingen voor algemene doeleinden, waarbij de vereisten voor maatnauwkeurigheid, chemische bestendigheid en zuiverheid minder veeleisend zijn.
PE versus PP-kernbuizen voor aluminium-kunststoffilm
| Prestatiefactor | PE-kernbuizen | PP-kernbuizen |
|---|---|---|
| Elektrolyt weerstand | Gevoeliger voor zwelling en permeatie | Betere weerstand tegen elektrolytgerelateerde zwelling |
| Mechanische stijfheid | Lagere stijfheid | Hogere stijfheid en maatvastheid |
| Precisie van het opwinden | Gevoeliger voor vervorming onder hoge spanning | Beter geschikt voor nauwkeurig opwinden |
| Temperatuurbestendigheid | Meer vatbaar voor verzachting en kruip bij hogere temperaturen | Hoger smeltpunt en betere stabiliteit bij hoge temperaturen |
| Compatibiliteit van toepassingen | Meer geschikt voor filmwikkelen voor algemene doeleinden | Op grote schaal gebruikt voor veeleisende filmwikkeltoepassingen |
| Netheidsvereisten | Vereist passende proces- en omgevingscontroles | Kan worden vervaardigd met gecontroleerde zuiverheid voor veeleisende toepassingen |
Waarom worden PP- en ABS-kernbuizen vaak gebruikt?
De keuze van een wikkelkern voor aluminium-kunststoffolie wordt niet bepaald door één enkele materiaaleigenschap. De kern moet de dimensionale stabiliteit behouden tijdens het opwikkelen en daaropvolgende hanteren, terwijl hij ook compatibel moet zijn met de chemische, thermische en zuiverheidseisen die gepaard gaan met de productie van lithium-ionbatterijen.
Dimensionale stabiliteit
Kernbuizen van PP en ABS bieden de stijfheid en dimensionale stabiliteit die nodig zijn om de rolgeometrie te behouden tijdens het wikkelen, snijden en transporteren.
Chemische weerstand
PP biedt een sterke weerstand tegen de chemische omgeving die gepaard gaat met toepassingen van lithium-ionbatterijen, waardoor het risico op zwelling en materiaaldegradatie wordt verminderd.
Temperatuurstabiliteit
PP en geschikte ABS-kernbuizen kunnen onder verwerkingsomstandigheden bij hogere temperaturen een betere maatvastheid bieden dan PE.
Schone productie
Gecontroleerde productieomgevingen en antistatische behandeling kunnen PP- en ABS-kernbuizen helpen voldoen aan de eisen op het gebied van reinheid en verontreinigingsbeheersing van veeleisende filmtoepassingen.
PE-kernbuizenworden zelden geselecteerd voor het wikkelen van aluminium-kunststoffolie die wordt gebruikt in lithium-ion-zakjesbatterijen, omdat hun prestaties niet zo goed aansluiten bij de gecombineerde vereisten voor elektrolytbestendigheid, mechanische stijfheid, maatvastheid, temperatuurbestendigheid en reinheid.
Kernbuizen van PP en ABS worden vaker gebruikt omdat ze de chemische bestendigheid, maatvastheid, temperatuurprestaties en gecontroleerde zuiverheid kunnen bieden die nodig zijn voor het nauwkeurig opwikkelen van aluminium-kunststoffilms. Het juiste kernmateriaal hangt uiteindelijk af van de specifieke foliestructuur, het wikkelproces en de productievereisten.
