リチウム電池製造向けの大流量張力制御ソリューション

電極コーティングの欠陥はリチウム電池の総生産量の 2 ～ 5% を占めており、不安定なウェブ張力が主な根本原因として特定されています。 NNTNITV2050電空比例弁最大 1,500 L/min の空気流量でも ±1.5% の張力安定性を維持します。

電極コーティングは、リチウム電池製造における製造不良の最大の原因です。 Kehrer らによると、 (2021 年) によると、コーティングの欠陥は製造不良品全体の 2 ～ 5% を占めており、ギガファクトリー規模の操業では年間数百万ドルのスクラップコストに相当します。張力制御の 3 つの主要な課題がこれらの損失を引き起こします。

空気消費量が多く、標準の空気圧コンポーネントを圧倒。コーティングラインの張力制御システムには通常、800 ～ 1,200 L/分の圧縮空気が必要です。流量が 1,000 L/min 未満の標準的な電空レギュレータでは、これらの体積で安定した圧力出力を維持できず、張力の変動が発生し、コーティングの厚さの変動につながります。 DFE Inc. の技術文書では、張力を正確に制御しないとコーティング プロセスに一貫性がなくなり、カレンダー加工では解決できないボイドや厚さのばらつきが生じることが確認されています。

汚染された圧縮空気は精密バルブを損傷します。工場のエアコンプレッサーは、ISO 8573-1 クラス 4 規格を超える水分含有量の空気を生成することがよくあります。水や粒子による汚染は、バルブ シートの腐食、信号のドリフト、精密電空コンポーネントの早期故障の原因となります。一般的なバッテリー製造環境では、ろ過されていない空気には 5 ～ 40 mg/m3 の微粒子と水蒸気が含まれており、精密調整器の許容範囲である 5 mg/m3 未満をはるかに超えています。

張力の不安定性はコーティング欠陥の直接的な原因となります。 1% の張力変動により、電極ウェブ全体で 3 ～ 5% のコーティング重量の偏差が生じます。 200 ppm (百万分率) のコーティング ラインの場合、これは 1 時間あたり 600 ～ 1,000 個の欠陥セルに相当します。世界のリチウム電池市場は、2028 年までに 1 TWh の容量に達すると予測されていますが (Karaki et al., 2022)、このレベルの生産効率の非効率を吸収することはできません。

NNT NITV2050 は、電気信号を比例空気圧出力に変換する電空比例レギュレータで、最大流量容量は 1,500 L/min (一般的なコーティング ラインの消費要件を 50% 上回る) です。

NITV2050シリーズは、電気入力信号(0～10VDCまたは4～20mA)に比例して空気圧を無段階に制御します。主な仕様は次のとおりです。

高流量コーティング用途の場合、NITV2050 は一般的な 1,000 L/min の消費要件を上回る十分な容量マージンを提供し、ピーク需要サイクル時の圧力低下を防ぎます。 ±0.5% のヒステリシス仕様により、ウェブ速度が急速に変化しても一貫した張力制御が保証されます。

1,000 L/min の圧縮空気を消費するリチウム電池電極コーティング ラインは、以前の 2 つのバルブ設置が 6 か月以内に失敗した後、5 ミクロンのプレフィルターを備えた ITV2050 を設置することで安定した張力制御を実現しました。

コーティングラインは、老朽化し​​た圧縮空気システムを備えた施設で稼働していました。以前に設置した 2 台の電空バルブ (プレフィルターなしの標準 1,000 L/min レギュレーター) は、内部腐食とシートの汚れにより 6 か月以内に故障し、故障ごとに 48 時間の計画外のダウンタイムが発生しました。

エンジニアは、次の構成で NNT NITV2050 をインストールしました。

• 1次側バルブ：NITV2050-31N2BL4（能力1,500L/min）
• プレフィルター: バルブ入口に 5 ミクロンのエアフィルター (TLV CT16 コントロールバルブのフィルター仕様と同等)
• 制御ループ: ロードセルフィードバックによる閉ループ張力制御
• 設定範囲：使用圧力0.3～0.6MPa

5 ミクロン フィルターは、TLV CT16 コントロール バルブ仕様 (空気圧アクチュエーターの 5 ミクロン濾過) に匹敵する濾過効率を達成し、ITV2050 の精密内部構造を湿気や粒子による損傷から保護します。

12 か月の連続稼働後:

NITV2050 を備えた閉ループ制御システムは、一般的なクラス 4 基準を超える吸気水分レベルであっても、1,000 L/分の連続流量下で張力安定性を ±1.5% 以内に維持しました。

高流量張力制御のアップグレードを検討しているバッテリー メーカーの場合:

1. ステップ 1: 空気消費量を監査する
   既存の張力制御ステーションでのピークおよび平均空気流量を測定します。ほとんどのコーティング ラインでは、ステーションごとに 800 ～ 1,200 L/分が必要です。ピーク需要の 1.5 倍に応じてバルブのサイズを決定します。
2. ステップ 2: 空気の質を評価する
   ISO 8573-1 に従って、圧縮空気の水分含有量と粒子レベルをテストします。クラス 4 (<5 mg/m3) を超える値には、事前ろ過が必要です。
3. ステップ 3: バルブ容量の選択
   ピーク需要を上回る 1.5 倍の流量マージンを持つ電空レギュレータを選択してください。 1,000 L/min の消費量の場合、最小 1,500 L/min のバルブ容量。
4. ステップ 4: プレフィルターをインストールする
   精密バルブの上流に 5 ミクロンのフィルターを取り付けます。フィルターの差圧を毎月監視します。差圧0.05MPaで交換してください。
5. ステップ 5: 閉ループ制御を実装する
   ロードセルのフィードバックを ITV2050 のアナログ出力と統合して、リアルタイムの張力調整を実現します。最小許容性能として、±2% の張力変動を目標とします。

電極コーティング張力制御システムは通常、ウェブの幅とライン速度に応じて、ステーションごとに 800 ～ 1,200 L/分の圧縮空気を必要とします。高速ライン (>100 m/分) では、1,500 以上の L/分が必要になる場合があります。

NITV2050 自体は IP65 等級ですが、正確な動作のためにはきれいな空気が必要です。吸入空気の水分が ISO 8573-1 クラス 4 規格 (<5 mg/m3) を超える場合は、5 ミクロンのプレフィルターを取り付けてください。汚染された環境では、フィルターは 3 ～ 6 か月ごとに交換するのが一般的です。

張力の変動は塗膜厚さのばらつきに直接影響します。業界データでは、1% の張力の変動により 3 ～ 5% のコーティング重量の変動が生じることが示されています。 200 ppm ラインの場合、これは 1 時間あたり 600 ～ 1,000 個の欠陥セルに相当します。

2021 年の製造調査によると、電極コーティングの欠陥は、リチウム電池の製造不良品全体の 2 ～ 5% を占めています。これを 50% 削減すると、10 GWh のギガファクトリーでは年間 200 ～ 500 万ドルが節約されます。

オープンループ制御により、±5 ～ 8% の張力変動を実現します。ロードセルフィードバックを備えた閉ループ制御により、これが ±1.5% に低減されます。これは、コーティング重量偏差 <2% を目標とする高品質コーティング用途に必要です。

高い空気消費量 (1,000 L/min) での電極コーティングの張力制御には、十分な流量容量と汚染空気からの保護を備えた電空レギュレータが必要です。 NNT NITV2050 は、1,500 L/分の容量と適切な 5 ミクロンの事前ろ過を備え、要求の厳しいコーティング環境でも ±1.5% の張力安定性を維持します。この構成を導入したバッテリー メーカーは、計画外のバルブ交換のダウンタイムがなくなり、コーティングのスクラップ率が 3.8% から 1.2% に減少したと報告しています。