Lithium-ion batteries (LIB) represent a promising energy storage solution in the pursuit of electrification to combat climate change. In order for LIBs to be used across different industries, they have to be commercially viable. The viability for manufacturing LIBs at scale is increasing, with manufacturing costs decreasing 89% in the last ten years. However, the LIB manufacturing process is complex and can generate large amounts of scrap due to various non-conformities (NCs). Therefore, to further increase the ability to manufacture high-quality LIBs at scale, it is crucial to minimize the occurrence of NCs by understanding their root causes. This thesis examines the characteristics of one of the non-conformities occurring in the electrode coating process, namely the formation of craters on the coated surface of the anode electrode. The thesis was conducted at Northvolt Labs using a DMAIC approach to establish relationships between various process parameters and the formation of craters in two processes, coating, and its precursor process, slurry mixing. Utilizing the data models linear regression, CART regression, regularized linear regression, and a slurry experiment, process parameters and characteristics that affect crater formation were identified. Firstly, from the data models, it was distinguished that the speed of the supply pump used in transferring the slurry from the supply tank to the slot die, and the pressure in the filter pump, have the largest effect on crater formation. Further, the time that the slurry spends in storage, i.e. from a completely mixed slurry batch to it being applied in coating, affects crater formation. In this case, the longer the slurry is stored, the more craters are found. Another notable result is that refilling the coating supply tank induces crater formation. The mentioned results indicate that the various stages of slurry transfer undertaken before coating can result in advantageous conditions for craters to form. Moreover, it was discovered that changes in the loading level of the coated anode surface can indicate crater formation. The slurry experiment discovered that by contaminating the slurry with lubricant grease, NCs with similar characteristics to the crater could be generated. While not likely related to craters, this result provides valuable insights for slurry contamination. In addition to the data models and experiments, actions to facilitate future statistical analysis investigations are proposed. This thesis also proposes actions that can be undertaken to potentially mitigate the formation of craters. Suggested actions include methods to investigate the optimal storage time of the slurry before used in coating. Further, we recommend that the coating process should be monitored through the use of control charts on the loading level measurements of the coated surface. Consequently, large changes in loading level can be detected, entailing potential crater formation. We also propose adding lubricant grease as a potential risk in the PFMEA Northvolt uses for process risk evaluation. This recommendation is also complemented with suggested actions on how to handle the risks of lubricant grease contamination. / Användandet av litiumjonbatterier (LIB) som energilagring är en potentiell lösning för omställning till ett elektrifierat samhälle. Tillverkningsprocessen för LIBs är dock komplex och har en tendens att generera stora mängder kassationer på grund av olika typer av defekter. Denna studie ämnar att undersöka egenskaperna hos en av defekterna som kallas krater som kan förekomma i en av delprocesserna för litiumjonbatteritillverkning, elektrodbeläggning, där batteriets elektroder skapas genom att en blandning av aktiva material appliceras på en metallfolie. Kratern förekommer som en cirkulär form på den belagda ytan av anodelektroden. Studien genomfördes hos batteritillverkaren Northvolt Labs och använde en struktur enligt DMAIC cykeln. Syftet med studien var att fastställa samband mellan olika processparametrar och kraterformation för två olika processer, elektrodbeläggning och dess föregångare, framställning av den aktiva materialblandningen. Genom att använda datamodellerna linjär regression, CART-regression, en regulariserad linjär regression samt ett experiment kunde processparametrar och egenskaper som påverkar kraterbildningen etableras. Resultaten från datamodellerna indikerar att varvtalet i pumpen som tillför ytbeläggningsmaskinen med den aktiva materialblandningen samt trycket i filterpumpen har den största effekten på kraterbildning. Vidare så påverkar tiden som den aktiva materialblandningen lagras innan den används i beläggningsprocessen. Resultaten indikerar att ju längre tid en aktiv materialblandning lagras, desto mer kraterbildning. Samtliga resultat som nämnts ovan anvisar att de olika stadier den aktiva materialblandningen överförs bland olika behållare och verktyg kan ge upphov till kraterbildning. Ytterligare resultat från datamodellerna indikerar att en minskad tjocklek av den belagda ytan, mätt med enheten g/cm2, kan påvisa när kratrar uppstår. Detta resultat kan härledas till att kratrarna orsakar en nedåtbuktning i den belagda ytan. Utifrån experimentet med den aktiva materialblandningen kunde det fastlås att kraterliknande defekter kunde genereras genom att kontaminera blandningen med smörjfett. Dessa defekter är sannolikt inte besläktade med kratern, men dess uppkomst ger värdefulla insikter hur kontaminering kan påverka kvaliteten på den belagda ytan. Utöver resultat från datamodellerna och experimentet så presenterar även denna studie förslag på hur framtida undersökningar av statistisk karaktär kan förbättras. Studien föreslår också konkreta åtanganden som kan genomföras med syfte att reducera kraterbildning. Detta inkluderar hur ett projekt med syfte att fastslå den optimala lagringstiden för den aktiva materialblandningen innan den används i ytbeläggningsprocessen kan utformas. Vidare rekommenderas att ytbeläggningsprocessen övervakas med hjälp av att upprätta styrdiagram för ytbeläggningens nivåförändringar. Följaktligen kan stora förändringar i ytbeläggningens jämnhet detekteras, vilket kan vara en indikator på kraterbildning. Studien rekommenderar också att tillägga kontaminering av smörjfett i den aktiva materialblandningen som en potentiell risk i Northvolts PFMEA. Denna rekommendation kompletteras även med förslag på åtanganden som kan tas för att hantera risken för kontaminering av smörjfett.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-85997 |
| Date | January 2021 |
| Creators | König, Nikolaj, Norlin, Johan |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Institutionen för ekonomi, teknik, konst och samhälle |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0075 seconds