مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة، تشهد عمليات تصنيع بطاريات الليثيوم تحولاً جديدًا. وقد جذبت تكنولوجيا الأقطاب الكهربائية الجافة، كطريقة ناشئة لإعداد الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة على حد سواء، اهتمامًا كبيرًا نظرًا لملاءمتها للبيئة وكفاءتها العالية في استخدام الطاقة وقابليتها للتطبيق على الأنظمة الجديدة مثل بطاريات الحالة الصلبة.

I. الأقطاب الكهربائية الجافة وبطاريات الحالة الصلبة: حل أخضر للمستقبل

يعتمد التحضير التقليدي لإلكترود بطاريات الليثيوم على عمليات الطلاء بالمذيبات والتجفيف، مثل استخدام N-methylpyrrolidone (N-methylpyrrolidone) لإذابة المادة الرابطة ثم خلط الملاط والطلاء والتجفيف. هذه العملية ليست كثيفة الاستهلاك للطاقة ومعقدة فحسب، بل تنطوي أيضًا على مشاكل استعادة المذيبات والانبعاثات البيئية.

وعلى النقيض من ذلك، فإن تقنية القطب الجاف تلغي تماماً عملية المذيب والتجفيف. وهي تنطوي على خلط مواد المسحوق مباشرة (المواد الفعالة والعوامل الموصلة والمواد الموصلة والمواد المجلدة) ثم طلاء الخليط على مجمعات التيار (مثل رقائق الألومنيوم أو النحاس) باستخدام الضغط أو طرق ميكانيكية أخرى.

بالمقارنة مع العمليات التقليدية، توفر تقنية القطب الجاف المزايا التالية:

استهلاك أقل للطاقة: التخلص من خطوة التجفيف بالمذيبات يوفر طاقة حرارية كبيرة;
معدات مبسطة: خطوط إنتاج أقصر وبصمة أصغر;
صديقة للبيئة: لا توجد انبعاثات مذيبات ضارة، تصنيع صديق للبيئة;
مناسب لبطاريات الحالة الصلبة: أكثر ملاءمة لمتطلبات القطب الكهربائي عالي الجهد والكثافة لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل.

تعتبر الأقطاب الكهربائية الجافة عملية رئيسية خاصة في تعزيز تصنيع بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل، نظرًا لدعمها لكثافة الطاقة العالية والاستقرار البيني العالي.

ثانيًا. الدور الأساسي لأجهزة البثق المزدوجة اللولب في عمليات الإلكترود الجاف

في حين أن الأقطاب الجافة تقضي على المذيبات السائلة، فإنها تفرض متطلبات أعلى على تجانس خلط المواد وقابلية التشتت وقابلية التشكيل. تكافح طرق خلط المسحوق الجاف التقليدية أو طرق الخلط الأسطوانية الجافة التقليدية لتلبية معايير الاتساق والكثافة الصناعية. في هذه المرحلة، يوفر جهاز البثق المزدوج اللولب حلاً عالي الكفاءة ويمكن التحكم فيه ومستمر.

1. الخلط الجاف عالي الكفاءة والتشتت الذائب
   تتطلب المواد الرئيسية لأقطاب المعالجة الجافة، مثل NCM، وفوسفات حديد الليثيوم (LFP)، وأسود الكربون، والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)، وPTFE، وPVDF، خلطًا شاملاً في ظروف خالية من المذيبات.

تتميز آلات البثق المزدوجة اللولب بما يلي:

الاستفادة من قوة القص العالية وهيكل الخلط القوي لتوزيع المادة الرابطة بشكل موحد على أسطح المادة الفعالة والعامل الموصّل;

ذوبان جزئي لمواد رابطة لدن بالحرارة عند درجة حرارة محددة، مما يحقق تأثير خلط "التلدين";

منع تكتل المسحوق وتحسين اتساق القطب الكهربائي واتصال المسار الموصل.

2. المعالجة المسبقة للتحبيب من أجل تحسين أداء الضغط
   يتم بثق المادة المختلطة من خلال قسم البثق ثم تكويرها لتشكيل جسيمات ذات حجم ثابت وقابلية تدفق جيدة، وهو أمر بالغ الأهمية للضغط الجاف:

تحسين انتظام تعبئة المواد وكثافتها السائبة;

الحد من مخاطر التشقق الانضغاطي والفراغات;

تسهيل تحقيق أقطاب كهربائية عالية الكثافة، وتلبية متطلبات الاتصال البيني لبطاريات الحالة الصلبة.

3. منصة مرنة للتحقق من صحة التركيبات وتحسين العمليات يدعم الطارد اللولبي المزدوج التجريبي التحكم في درجة الحرارة متعدد المناطق، وهياكل اللولب القابلة للتبديل، والتعديل المستمر للسرعة، مما يجعله منصة مثالية لتطوير تركيبات الأقطاب الجافة:

التبديل السريع بين أنظمة المواد المختلفة (مثل الشوارد الصلبة الكبريتيدية والأكسيدية مع مواد رابطة مختلفة)؛ التحقيق في تأثيرات درجة الحرارة والقص وزمن المكوث على جودة الخلط وأداء القطب الكهربائي؛ مزود بنظام قياس درجة الحرارة عبر الإنترنت ونظام الحصول على البيانات لسهولة تتبع العملية.

ثالثًا- تكوينات وحالات التطبيق النموذجية

معلمات المشروع:

• قطر البرغي: 16 مم / 20 مم (مختبر ومقياس تجريبي)
• نطاق التحكم في درجة الحرارة: درجة حرارة الغرفة ~ 300 درجة مئوية، تحكم مستقل متعدد المناطق في درجة الحرارة
• هيكل لولبي: تصميم معياري (أقسام الخلط والنقل والتنفيس)
• طريقة التغذية: مغذي مسحوق التغذية، يدعم التحكم في فقدان الوزن
• طريقة التفريغ: تتوفر خيارات التحبيب بالتقطيع الساخن والتبريد بالهواء والتبريد بالماء
• نظام التحكم: واجهة PLC+HMI مع وظيفة تسجيل البيانات

قامت بعض الشركات العالمية المصنعة للبطاريات (مثل Tesla وCATL) ومؤسسات أبحاث المواد بنشر معدات البثق اللولبي المزدوج للتحبيب على خطوطها التجريبية للإلكترود الجاف، مما يحقق التحقق المستمر من العملية الخالية من المذيبات بدءًا من خلط المواد إلى كبس الإلكترود.