Как работи производството на литиево-йонни батерии

Съдържание

1.Основи на литиево-йонните батерии
2.Суровини в производството на батерии
3.Изработване на електродите
4.Опции за сглобяване на клетки
5.Пълнене и запечатване с електролит
6.Формиране и първоначално зареждане
7.Тестване на качеството и проверки за безопасност
8.Често срещани предизвикателства в производството
9.Повишаване на ефективността с модерно оборудване

Основи на литиево-йонните батерии

Литиево-йонните батерии захранват повечето устройства, които хората използват всеки ден – телефони, лаптопи, електрически превозни средства и електроинструменти. Това, което ги прави толкова широко използвани, е способността им да съхраняват много енергия в малък и лек корпус, като същевременно издържат стотици цикли на зареждане.

Казано по-просто, литиево-йонната батерия работи чрез преместване на литиеви йони между положителния електрод (катод) и отрицателния електрод (анод) през електролит. По време на зареждане йоните се движат в едната посока, а електроните протичат през външната верига, за да съхраняват енергия. По време на разреждане процесът се обръща, за да освободи тази енергия.

Целият процес на производство на батерии е проектиран така, че да поддържа това йонно движение ефикасно, безопасно и постоянно. Производството на съвременните литиево-йонни батерии се извършва в строго контролирани чисти помещения, за да се избегне замърсяване, което може да влоши производителността или да причини проблеми с безопасността.

Суровини в производството на батерии

Всичко започва със суровините. Катодът обикновено се изработва от литиеви метални оксиди – често срещани избори включват литий-никел-манган-кобалт (НМК) или литиево-железен фосфат (ЛФП). Тези материали определят енергийната плътност, безопасността и цената.

Анодът най-често е графит, понякога смесен със силиций за по-висок капацитет. Тънък полимерен сепаратор държи електродите един от друг, като същевременно пропуска йоните. Електролитът е литиева сол, разтворена в органични разтворители, която пренася йоните.

Токоприемниците – алуминиево фолио за катода и медно фолио за анода – допълват основната структура. Всички тези материали трябва да бъдат изключително чисти. Дори малки примеси могат да доведат до намалена производителност или вътрешни къси съединения по-късно.

При производството на батерии, снабдяването с постоянни, високочисти материали е един от най-големите фактори, свързани с разходите и качеството.

Изработване на електродите

Производството на електроди е мястото, където се извършва по-голямата част от прецизната работа при производството на литиево-йонни батерии.

Първо производителите смесват активни материали със свързващи вещества и проводими добавки в суспензия. Тази суспензия се нанася равномерно върху металните фолиа – алуминий за катоди, мед за аноди. Дебелината на покритието влияе пряко върху капацитета и скоростта на зареждане.

След нанасяне на покритието, мокрите електроди преминават през дълги сушилни, за да се отстранят разтворителите. След това преминават през каландриращи ролки, които компресират покритието до правилната плътност. По-високата плътност обикновено означава по-добро съхранение на енергия, но тя трябва да бъде балансирана, за да се избегне блокиране на йонните пътища.

Накрая, широкопокритите фолиа се нарязват на тесни ленти, оразмерени за специфичния формат на клетката. Всякакви грапавини или неравни ръбове на този етап могат да причинят проблеми по време на сглобяването, така че прецизното нарязване е от решаващо значение.

Съвременните производствени линии за батерии изпълняват тези стъпки непрекъснато с висока скорост, за да поддържат ниски разходи, като същевременно поддържат строги допуски.

Опции за сглобяване на клетки

След като електродите са готови, клетката приема форма. Има три основни формата: цилиндричен, призматичен и торбичков.

Цилиндричните клетки (като 18650 или 21700) използват процес на навиване. Анодът, сепараторът, катодът и друг сепаратор са на пластове и навити в желеобразна ролка, която се побира в метална кутия.

Призматичните клетки също са навити, но са пресовани в правоъгълна форма. Торбичковидните клетки, често срещани в телефоните и много електрически превозни средства, използват подреждане вместо навиване. Отделните анодни и катодни листове се редуват със сепараторни слоеве, за да образуват стек.

Подреждането позволява малко по-висока енергийна плътност и по-добро разсейване на топлината, но изисква много прецизно подравняване. При клетките тип „плик“ се заваряват езичета, за да се свържат електрически всички слоеве, и стекът се поставя в гъвкава торбичка, ламинирана с алуминий.

При производството на батерии с мека опаковка са необходими допълнителни защитни стъпки – като прецизно залепване с лента или ламиниране на главата на клетката – за да се предотвратят повреди и да се осигури дългосрочна надеждност.

Пълнене и запечатване с електролит

След сглобяването, клетката се пълни с електролит в сухо помещение (точка на оросяване често под -40°C), тъй като литиевите соли реагират с влагата.

Пълненето трябва да бъде прецизно – твърде малкото количество намалява производителността, твърде многото може да причини подуване или течове. При торбичковидните клетки процесът протича под вакуум, за да се отстрани въздухът и да се помогне на електролита да проникне в стека.

След като се напълни, клетката се запечатва. Цилиндричните и призматичните клетки получават гофрирани метални капаци с предпазни отвори. Клетките тип „плик“ се запечатват термично по краищата, оставяйки едната зона временно отворена за отделяне на газ по време на образуването, след което по-късно се запечатват окончателно.

Качеството на запечатване е от решаващо значение – всеки теч позволява навлизането на влага, което може да унищожи батерията с течение на времето.

Формиране и първоначално зареждане

Всяка нова литиево-йонна клетка преминава през процес на формиране. Това е контролиран първи цикъл на заряд-разряд, който създава стабилен слой от твърд електролитен интерфаз (СЕИ) върху анода. СЕИ слоят е от съществено значение за дългосрочната стабилност.

Образуването е бавно и контролирано от температурата, често отнемайки часове или дни. Генерира се известно количество газ, който се отстранява в етап на дегазиране на клетките на торбичките.

След образуването си, клетките обикновено достигатнад 1000 цикъла на пълно зарежданес подходящ дизайн, въпреки че реалният живот зависи от употребата.

Тестване на качеството и проверки за безопасност

Преди доставка, всяка клетка преминава през електрически тестове – капацитет, вътрешно съпротивление, постоянство на напрежението. Много производители също така провеждат проби с разрушителни тестове и ускорено стареене.

Вградени са функции за безопасност: вентилационни отвори за налягане, сепаратори за изключване, които се стопяват, за да блокират йонния поток при висока температура, и понякога керамични покрития върху сепараторите за допълнителна защита.

Съвременното производство на литиево-йонни батерии включва множество точки за инспекция на линия, използващи рентгенови лъчи, оптично сканиране и системи за зрение с изкуствен интелект, за да се открият дефекти рано.

Често срещани предизвикателства в производството

Мащабирането на производството на батерии, като същевременно се поддържат ниски разходи и високо качество, е трудно. Контролът на замърсяването изисква скъпи сухи помещения. Цените на материалите – особено литий, кобалт и никел – варират значително.

Добивът е от огромно значение. Малък спад от 99% на 95% може да направи една фабрика нерентабилна. Управлението на топлината по време на бързото нанасяне на покритие и линиите за сушене изисква внимателно проектиране.

Безопасността остава основен приоритет. Дори редките повреди получават огромно внимание, така че процесите са проектирани с множество резервни предпазни мерки.

Повишаване на ефективността с модерно оборудване

С нарастването на търсенето на литиево-йонни батерии, фабриките се обръщат към високоавтоматизирано оборудване, за да подобрят скоростта, прецизността и добива.

За производителите, работещи с клетки за мека опаковка, надеждната машина за ламиниране с лепило може да окаже голямо влияние в етапа на защитно залепване.Машина за ламиниране с лепилоот По-добре Технологии автоматизира прецизното залепване на главата сТочност ±0,25 мм, елиминира мехурчета и бръчки и достига производствени нива от≥1000 броя на часкато същевременно се поддържа≥99% добивАнтистатичният му дизайн и вакуумният мониторинг помагат за защитата на чувствителните клетки, а интуитивните контроли правят смяната на модела лесна. Тези характеристики допринасят за по-добра защита, по-малко дефекти и по-висока производителност – точно това, от което се нуждаят нарастващите производствени операции за батерии.