Руководство по материалам анодов: степени чистоты, металлы и проверка поставок элементов

Инженер по закупкам подписывает партию медной фольги весом 300 кг. Через два дня входной контроль провален: железо 18 ppm против потолка 10 частей на миллион, кислород 22 ppm против 8 ppm. По сертификату материал имеет чистоту 99,99%. Он все еще не может попасть на линию нанесения покрытия.

Этот разрыв между классом, указанным в документе, и профилем примесей, который фактически поступает на завод, и является всей проблемой при поиске анодного материала. Первый вывод: для металлов на анодной стороне число, определяющее выход, не является основным процентом чистоты. Именно индивидуальные пределы содержания микроэлементов, аналитический метод, используемый для их подтверждения, и контроль процесса обеспечивают их стабильность от партии к партии.

Ниже рассказывается о том, где находятся металлы сверхвысокой чистоты в литий-ионных элементах, электрохимических анодах и электролитических конденсаторах, какие марки являются реалистичными для каждого из них, а также о проверках, которые предотвращают выход квалифицированного материала за пределы технических характеристик.

Материал анода: один термин, три разные спецификации

Попросите пять инженеров дать определение материалу анода, и вы получите как минимум три ответа, каждый из которых будет приложен к отдельному заказу на поставку. Это слово описывает функцию, а не класс материала. Покупка с неправильным определением — одна из самых дорогостоящих ошибок в этой категории, поскольку в спецификации, написанной для анода конденсатора, почти ничего не говорится о токосъемнике батареи.

• Активный материал анода батареи — графит, твердый углерод, кремний-углеродные композиты, титанат лития (ДН) и оксид титана-ниобия (TiNb2O7). Требования к чистоте применяются к предшественникам металлов, а не к готовой металлической детали.
• Электрохимические аноды - титановый лист, сетка или трубка с покрытием из смешанных оксидов металлов, используемые в гальванике, катодной защите, водоочистке и хлорщелочной работе. Важны чистота основания, ровность и адгезия покрытия.
• Аноды конденсаторов — спеченные порошковые изделия из тантала или ниобия внутри твердоэлектролитических конденсаторов. Показателями являются емкость на грамм, содержание кислорода и углерода, а также усадка во время спекания.

Где на самом деле находится металл внутри литий-ионного анода

В коммерческих литий-ионных элементах активным материалом является углерод или смесь углерод-кремний. Металл – это все, что его окружает, и оно очерчено столь же жестко.

Анодный коллектор тока представляет собой медную фольгу, обычно толщиной от 6 до 9 мкм, в высокоэнергетических конструкциях толщина может достигать 4,5–6 мкм. При этом уровне фольги обычно указывается 4Н (99,99%), при этом содержание кислорода поддерживается на уровне ниже 5–8 частей на миллион, а отдельные элементы, такие как железо и сера, ограничены низкими однозначными цифрами. Партия, которая соответствует пределу общего содержания примесей и содержит 15 частей на миллион железа, все равно будет протравливаться в мелкие отверстия, терять адгезию на границе раздела покрытия и рваться по краям во время намотки.

Никель появляется во вкладках, в никелированной меди и в специальной фольге для высокотемпературных элементов. Титан появляется в виде сетки, войлока или листа, когда коррозионная стойкость важнее проводимости — например, в электродах, работающих в кислых электролитах, или в электролизерах, где одна и та же титановая деталь действует как рабочий анод.

Разработка тонких пленок и твердотельных тел добавляет этап вакуума. Медные мишени для распыления, используемые для нанесения затравочных слоев и токосъёмных слоев, оцениваются по чистоте мишени, размеру зерна и содержанию кислорода, поскольку эти переменные влияют на удельное сопротивление пленки и образование частиц на подложке.

Мишени для распыления меди высокой чистоты для тонких пленок PVD Мишени для распыления меди высокой чистоты для затравочных слоев PVD и токосъёмных слоев, обеспечивающие чистоту 99,999–99,9999 % и настраиваемые размеры для оборудования для нанесения покрытий. Посмотреть продукт →

Спрос на эти материалы сконцентрирован в нескольких странах. приложения новой энергетики , где один-единственный элемент, не отвечающий техническим требованиям, может простаивать линию нанесения покрытия в течение полной смены.

Степени чистоты: что на самом деле обещают 3Н, 4N и 5Н

Степень чистоты — это сокращение общего потолка примесей, и это сокращение скрывает стократную разницу.

• 3N означает 99,9% металла или до 1000 ppm всего остального.
• 3Н5 означает 99,95%, до 500 частей на миллион.
• 4N означает 99,99%, до 100 частей на миллион.
• 4Н5 означает 99,995%, до 50 частей на миллион.
• 5N означает 99,999%, до 10 частей на миллион.

Ловушка в том, что сертификат 4N обещает только общее содержание ниже 100 ppm. Партия, содержащая 60 ppm железа, 20 ppm кислорода и 15 ppm серы, удовлетворяет требованиям 4N и все еще непригодна для изготовления тонкой медной фольги. Поэтому для закупок на анодной стороне необходимы ограничения по конкретным элементам, а также описание аналитического метода, лежащего в основе каждого числа.

ИСП-ОЭС обрабатывает обычные следы металлов в концентрации примерно до 1 ppm. ИСП-МС достигает диапазона ppb и является обычным инструментом для 4N5 и выше. Масс-спектрометрия тлеющего разряда проверяет материал 5N, а методы сжигания измеряют кислород, азот, водород, углерод и серу — межузельные элементы, которые полностью игнорируются стандартными панелями следов металлов.

Титан и ниобий: металлы, используемые в высокоскоростных анодах

Два химических процесса обменивают плотность энергии на производительность и срок службы, и оба зависят от титана и ниобия: титанат лития (Li4Ti5O12, известный как LTO) и оксид титана-ниобия (TiNb2O7), а также более простой путь с пентоксидом ниобия.

LTO представляет собой шпинель с плоским плато 1,55 В, практической емкостью около 175 мАч/г и почти нулевой деформацией решетки, поэтому она выдерживает десятки тысяч циклов. Его предшественник — диоксид титана или титановый порошок — должен удерживать железо, ниобий и остаточные щелочные металлы на низких уровнях, поскольку эти примеси сидят в решетке шпинели и повышают импеданс.

Пентоксид ниобия обеспечивает примерно 180–200 мАч/г с безопасным рабочим окном и высокими скоростными характеристиками. TiNb2O7 идет дальше, с теоретической емкостью около 387 мАч/г, но он потребляет оба металла и требует постоянного контроля кислорода в ниобиевом сырье. Практическая цепочка поставок проходит от слитка ниобия через гидрирование и измельчение до порошка и оксида, поэтому чистота слитка определяет все последующие этапы производства. Понимание роль ниобия в высокотехнологичных отраслях помогает объяснить, почему ниобий 3N5 и 4N имеет более высокую цену по сравнению с обычными марками ферросплавов.

Титановый порошок высокой чистоты для мишеней AM, MIM и распыления Титановый порошок высокой чистоты для аддитивного производства, MIM и мишеней для распыления, с настраиваемым размером частиц и чистотой 99,8–99,99 % для передового производства. Посмотреть продукт →

Танталовые и ниобиевые анодные материалы в конденсаторах

В твердоэлектролитическом конденсаторе анод представляет собой пористую спеченную таблетку порошка тантала, то есть порошок является его компонентом. Типичная спецификация требует содержания тантала от 99,95% до 99,99%, содержания кислорода в определенном диапазоне, низкого содержания углерода, а также согласованного распределения частиц по размерам и плотности по Скотту. Покупатели сравнивают ёмкость на грамм, усадку после спекания и ток утечки в готовой детали, ни одного показателя чистоты.

Аноды из ниобия и оксида ниобия являются более дешевой альтернативой. Плотность ниобия примерно вдвое меньше, чем у тантала, поэтому на деталь требуется меньше граммов, а оксидные аноды более щадящие при высокотемпературном оплавлении. Компромиссом является более строгий контроль кислорода во время спекания, поскольку избыток кислорода превращается в ток утечки. Какой бы путь ни выбрал производитель конденсаторов, он начинается со слитка высокой чистоты, который преобразуется в порошок, а межузельный профиль слитка следует за порошком вплоть до готового анода.

Слиток ниобия высокой чистоты для полупроводников и суперсплавов Слиток ниобия высокой чистоты 99,99% для полупроводниковых распыляемых мишеней, тиглей, суперсплавов и сверхпроводящих сплавов, размерами до 400 мм и 2 метрических тонны. Посмотреть продукт →

Контрольный список закупок, предотвращающий отбраковку лотов

Большинство споров по поводу анодного металла восходят к спецификации, которая была написана вокруг процента, а не режима отказа. Восемь пунктов закрывают этот пробел.

1. Напишите пределы для конкретных элементов для железа, никеля, хрома, серы и хлорида, а не только общий потолок примесей.
2. Назовите аналитический метод и необходимый предел обнаружения для каждого элемента.
3. Укажите элементы внедрения — кислород, азот, водород, углерод и серу — для меди, титана и ниобия.
4. Допуски на размеры устанавливают отдельно: толщина в пределах плюс-минус 5%, плюс ширина, выпуклость и шероховатость поверхности, где это необходимо.
5. Для порошков в каждом сертификате необходимо указать гранулометрический состав, плотность по Скотту и содержание кислорода.
6. Требуйте сертификат анализа на партию с указанием номера плавки, плавки или слитка.
7. Подтвердите технологический маршрут: электролиз, вакуумная индукционная плавка, электронно-лучевая плавка или вакуумно-дуговая переплавка оставляют разные остаточные следы.
8. Проверьте систему качества: ISO9001 в качестве базового уровня, IATF16949, если материал используется в программе автомобильных аккумуляторов, и согласуйте упаковку и срок годности, поскольку поверхности титана и ниобия поглощают кислород при хранении.

Диаграмма: типичное распределение брака анодного металла, обнаруженного при входном контроле.

Часто задаваемые вопросы о материале анода

Всегда ли более высокая степень чистоты лучше для анодного материала?

Нет. Оценка отвечает на вопрос об общей загрязненности; вид отказа обычно зависит от одного или двух элементов. Медь 4N с содержанием кислорода ниже 5 частей на миллион превзойдет номинальную медь 5N с нестабильным кислородом и серой, поскольку образование микропор и потеря адгезии обусловлены этими конкретными элементами, а не совокупностью.

В чем практическая разница между медью 4N и 4N5?

Примерно в два раза превышает общий потолок примесей: 100 ppm против 50 ppm. Для фольги толщиной менее 6 мкм эта разница часто решает, пройдет ли поступающая партия, поскольку при одинаковом абсолютном уровне железа образуется большая доля поперечного сечения фольги при уменьшении толщины.

Какой металл используется для изготовления анодного токосъемника?

Медь почти во всех литий-ионных конструкциях, никелированная медь для вкладок и титановая сетка или лист, где коррозионная стойкость превышает проводимость. Графитовый активный материал расположен сверху; металл под ним все еще должен сохранять свое удельное сопротивление и качество поверхности во время нанесения покрытия, сушки, каландрирования и намотки.

Как проверяется чистота поставляемой партии?

Благодаря сертификату анализа на каждую партию на основе ICP-MS или ICP-OES для следовых металлов и анализа горения на кислород, азот, водород, углерод и серу, а также независимую проверку сохраненных образцов. Поставщики, предлагающие специальные услуги по тестированию чистоты, значительно сокращают этот этап проверки.

Компания Ningbo Chuangrun New Materials занимается очисткой, плавкой, литьем и обработкой металлов сверхвысокой чистоты с 2012 года, работая на пяти производственных базах, с командой из около 40 специалистов-металлургов и более 60 зарегистрированных технологических патентов. Ассортимент продукции включает титан, никель, медь, ниобий, кобальт, тантал, молибден и сплавы в форме кристаллов, слитков, порошков, губок, пластин, стержней, трубок и мишеней, поддерживаемых системами качества ISO9001 и IATF16949, а также специализированной службой тестирования чистоты.

Если вы указываете металлы на анодной стороне и хотите, чтобы профиль примесей поэлементно был подтвержден до отгрузки, а не после, отправьте спецификацию команде и попросите провести анализ на уровне партии с учетом ваших собственных ограничений.