Jak se vyrábí baterie?

Struktura a princip fungování baterií

Baterie produkují elektrickou energii chemickou reakcí probíhající uvnitř článku. Klíčem k provedení této reakce je pohyb elektronů. Elektrony jsou záporně nabité částice, které při pohybu generují elektřinu. Tento tok je možný při použití dvou různých kovů působících jako vodiče. Spojení kovů dohromady iniciuje pohyb elektronů mezi nimi, což je způsobeno tím, že elektrony jsou taženy kovy, které se označují jako katoda a anoda. Elektrony budou katodou vždy přitahovány silněji. Kovy uvnitř baterie jsou propojeny látkou schopnou vést elektrony, zvanou elektrolyt. Elektromobily používají baterie postavené z propojených článků. Použité energetické systémy se od sebe liší především svou životností, chemickým složením a hmotností. Trh s bateriemi pro elektromobily se dynamicky mění. V současné době patří lithium-iontové baterie mezi nejoblíbenější typy. Jejich výroba je složitá a vyžaduje špičkovou kvalitu v každé fázi. Nejoblíbenější lithium-iontové baterie jsou ty, jejichž články jsou založeny na kovech, jako je nikl, kobalt nebo mangan. Typy lithium-iontových baterií, které se nejčastěji volí pro elektrická vozidla, zahrnují lithium-nikl-kobalt-manganové (NMC) baterie. Mnohem menší zájem je o lithium-manganové (LMO), lithium-železo-fosfátové (LFP) a lithium-nikl-kobalt-hliníkové (NCA) baterie.

Jak se vyrábí baterie?

Výroba lithium-iontových a dalších článků se vyznačuje svou složitostí a vysokým stupněm automatizace. Výroba baterií závisí na jejich typu, ale hlavní fáze a procesy jsou podobné. Zjednodušeně lze celý výrobní proces rozdělit do tří hlavních „bloků“:

1. Výroba elektrod

Bez ohledu na formát a tvar vyráběné baterie je prvním krokem výroba elektrod. V této fázi je důležité zabránit křížové kontaminaci mezi různými materiály, takže v praxi existuje samostatná linka pro výrobu katody a samostatná linka pro anodu. Anoda je vyrobena z měděné fólie pokryté grafitem, zatímco katoda je vyrobena z hliníkové fólie potažené vybraným kovem. Mezi nejdůležitější fáze výroby patří:

• Míchání, které spočívá ve výrobě tzv. suspenze, což je směs prášků (účinných látek) s rozpouštědlem a dalšími chemickými látkami, které působí jako pojiva.
• Nanášení a sušení: hotová suspenze se načerpá do oblasti nátěru, kde se nanese na kovovou fólii. Fólie je poté odeslána do sušicí pece, kde se odpaří rozpouštědlo a na fólii se přichytí účinná látka.
• Kalandrování – proces dokončování potažených válců. Pohybují se mezi dvěma vyhřívanými prvky, které zajišťují odpovídající stlačení materiálu přitlačováním válců k fólii a udržují tak stabilní tloušťku a hustotu a lepší přilnavost.
• Řezání – kovová fólie prochází systémem nožů, které ji řežou na mnoho menších kousků, jejichž velikosti jsou vhodné pro vyráběné elektrody.

2. Sestavení buňky

Montáž článků vyžaduje suché prostředí, aby se zabránilo tvorbě vlhkosti, která může způsobit degradaci a výrazný pokles účinnosti elektrody. V této fázi jsou elektrody odříznuty a umístěny do pouzder. Sestavení buňky zahrnuje následující kroky:

• Řezání – pravoúhlé elektrody vznikají při procesu řezání. Řezání se provádí mechanicky nebo laserem.
• Uspořádání – v pouzdře baterie jsou elektrody uspořádány střídavě: anoda, separátor, katoda. Nejoblíbenějším způsobem je skladování.
• Montáž – vhodně uspořádané elektrody se spojí a připevní na hlavní svorky svařováním. Takto vyrobený článek s elektrodami se vloží do obalového materiálu a utěsní, přičemž ponechá otevřený okraj pro plnění elektrolytem.

3. Tváření a kontrola jakosti

Poté smontovaná baterie prochází fází úpravy. To je často kritický okamžik výroby, protože článek je poprvé nabitý a prochází řadou testů, které mají prokázat jeho kvalitu a účinnost. Konečné fáze formování baterie zahrnují předběžné nabíjení, odplynění a stárnutí při vysoké teplotě. Po dokončení poslední fáze je zařízení připraveno k použití v různých aplikacích. Elektromobily jsou poháněny lithium-iontovými bateriemi. Patří mezi nejoblíbenější typy baterií především díky tomu, že umožňují ujet více kilometrů na jedno nabití ve srovnání s jinými typy baterií. Jejich výrobní proces je velmi podobný jako u nejběžnějších lithiových baterií. Charakteristickým rysem baterií pro elektromobily je, že tvoří sériové spojení několika lithium-iontových článků, které tvoří takzvané moduly. Každý modul baterie obsahuje několik až více než deset článků zapojených do série. Poté jsou moduly svařeny dohromady, aby vytvořily bateriové sady, které podléhají kontrole kvality.

Suroviny pro výrobu baterií

Mezi nejoblíbenější systémy skladování energie patří lithium-iontové baterie. Výroba těchto článků je složitá a vyžaduje špičkovou kvalitu v každé fázi. Důležitou otázkou je výběr takových surovin pro výrobu, aby hotová baterie plně uspokojila poptávku trhu a požadavky spotřebitelů.

Kovy

Mezi nejdůležitější suroviny pro výrobu baterií patří kovy, především lithium, kadmium, nikl, železo, zinek a mangan. Posledně jmenovaný je nejoblíbenějším materiálem používaným k výrobě lithium-iontových baterií. Dalšími prvky používanými pro výrobu baterií jsou hořčík a hliník (jako elektrody), kvůli jejich vysokému standardnímu potenciálu a elektrochemickému ekvivalentu. Další výhodou je jejich relativně nízká cena a vysoká dostupnost. Díky tomu jsou ideální náhradou za oblíbené elektrody vyrobené ze zinku. Dalším kovem používaným v bateriích je stříbro, které umožňuje vyrábět bezpečné články s vysokou hustotou energie. Použití stříbra navíc umožňuje dosáhnout vyššího napětí baterie ve srovnání například s kadmiem.

Oxidy kovů

Elektrody v bateriích (katody a anody) nejsou vyrobeny pouze z kovů. Používají se také oxidy kovů, jako je oxid manganatý (IV) nebo oxid zinečnatý. Aktivním materiálem v lithium-iontových bateriích je obvykle lithium, které se nejčastěji vyskytuje ve formě oxidů v kombinaci s takovými kovy, jako je kobalt, mangan, nikl, vanad nebo železo.

Elektrolyty

Elektrolyt je klíčovou součástí lithium-iontových baterií, která umožňuje volný tok elektronů mezi elektrodami. Elektrolyty jsou v zásadě vodné roztoky nebo roztoky v organických látkách, které se vyrábějí rozpuštěním jednoho nebo více typů solí, například chloridu amonného, ​​chloridu zinečnatého nebo chloristanu hořečnatého. V alkalických bateriích se jako elektrolyt používá hydroxid draselný . Vinylenkarbonát se také běžně vybírá pro výrobu elektrolytů pro lithium-iontové baterie. Je to zvláště důležité pro dynamicky rostoucí sektor baterií a akumulátorů. Vysoce čistý vinylenkarbonát (minimálně 99,99 %) je dostupný v širokém sortimentu PCC Group , která je jedním z předních výrobců a dodavatelů chemikálií a surovin pro všechna průmyslová odvětví.

Grafit

Grafit neboli práškový uhlík je klíčovou surovinou pro výrobu elektrod. Struktura některých baterií obsahuje grafitové tyče, které „sbírají“ elektrony proudící z obvodu a distribuují je přes katodu. Struktura grafitu navíc usnadňuje extrakci plynů vznikajících při elektrochemické reakci.

Plasty

Plasty , jako je polyethylen nebo polypropylen , jsou vynikající materiály, které se používají při výrobě separátorů baterií. Oddělují katodu od anody. Plasty se také používají k výrobě povlaků a obalů baterií.