Hoe worden batterijen gemaakt?

De structuur en het werkingsprincipe van batterijen

Batterijen produceren elektrische energie door de chemische reactie die in de cel plaatsvindt. De sleutel om die reactie uit te voeren is de beweging van elektronen. Elektronen zijn negatief geladen deeltjes die tijdens het bewegen elektriciteit opwekken. Deze stroming is mogelijk door het gebruik van twee verschillende metalen die als geleiders fungeren. Door de metalen met elkaar te verbinden, wordt de beweging van elektronen tussen hen in gang gezet, wat wordt veroorzaakt doordat de elektronen worden getrokken door de metalen die kathode en anode worden genoemd. Elektronen zullen altijd sterker worden aangetrokken door de kathode. De metalen in een batterij zijn onderling verbonden door een stof die elektronen kan geleiden, de elektrolyt. Elektrische voertuigen gebruiken batterijen die zijn opgebouwd uit onderling verbonden cellen. De gebruikte energiesystemen verschillen voornamelijk van elkaar door hun levensduur, chemische samenstelling en gewicht. De markt van batterijen voor elektrische voertuigen verandert dynamisch. Momenteel behoren lithium-ionbatterijen tot de meest populaire typen. Hun productie is complex en vereist in elk stadium topkwaliteit. De meest populaire lithium-ionbatterijen zijn die waarvan de cellen zijn gebaseerd op metalen zoals nikkel, kobalt of mangaan. De typen lithium-ionbatterijen die het meest worden gekozen voor elektrische voertuigen, zijn onder meer lithium-nikkel-kobalt-mangaan (NMC) -batterijen. Lithium-mangaan (LMO), lithium-ijzer-fosfaat (LFP) en lithium-nikkel-kobalt-aluminium (NCA) batterijen zijn van veel minder belang.

Hoe wordt een batterij gemaakt?

De fabricage van lithium-ion- en andere cellen wordt gekenmerkt door complexiteit en een hoge mate van automatisering. De productie van batterijen is afhankelijk van het type, maar de belangrijkste stadia en processen zijn vergelijkbaar. Simpel gezegd, het hele fabricageproces kan worden onderverdeeld in drie hoofdblokken:

1. Productie van elektroden

Ongeacht het formaat en de vorm van de geproduceerde batterij, de eerste stap is het maken van de elektroden. In dit stadium is het belangrijk om kruisbesmetting tussen verschillende materialen te voorkomen, dus in de praktijk is er een aparte lijn voor het produceren van de kathode en een aparte lijn voor de anode. De anode is gemaakt van koperfolie bedekt met grafiet, terwijl de kathode is gemaakt van aluminiumfolie bedekt met een geselecteerd metaal. De belangrijkste productiefasen zijn:

• Mengen, wat bestaat uit het produceren van de zogenaamde suspensie, een mengsel van poeders (actieve stoffen) met een oplosmiddel en andere chemische stoffen die als bindmiddel werken.
• Coaten en drogen: een kant-en-klare suspensie wordt in het coatinggebied gepompt, waar het op een metaalfolie wordt aangebracht. De folie gaat vervolgens naar een droogoven, waar het oplosmiddel verdampt en de werkzame stof aan de folie wordt gehecht.
• Kalanderen – het proces van het afwerken van de gecoate rollen. Ze bewegen tussen twee verwarmde elementen die zorgen voor een passende compressie van het materiaal door de rollen tegen de folie te drukken en zo een stabiele dikte en dichtheid en een betere hechting te behouden.
• Snijden – de metaalfolie loopt door een systeem van messen die het in veel kleinere stukjes snijden waarvan de afmetingen geschikt zijn voor de te produceren elektroden.

2. Assemblage van cellen

De assemblage van cellen vereist een droge omgeving om de vorming van vocht te voorkomen dat degradatie en een aanzienlijke daling van de efficiëntie van de elektrode kan veroorzaken. In dit stadium worden de elektroden gesneden en in omhulsels geplaatst. Celassemblage omvat de volgende stappen:

• Snijden – tijdens het snijproces worden rechthoekige elektroden geproduceerd. Het snijden gebeurt machinaal of met een laser.
• Arrangeren – in een batterijbehuizing zijn de elektroden afwisselend gerangschikt: anode, separator, kathode. De meest populaire manier is kous.
• Montage – correct geplaatste elektroden worden door lassen verbonden en bevestigd aan de hoofdklemmen. De zo geproduceerde cel met elektroden wordt in verpakkingsmateriaal geplaatst en verzegeld, waarbij een open rand overblijft voor het vullen met elektrolyt.

3. Vorming en kwaliteitscontrole

Vervolgens doorloopt een geassembleerde accu de conditioneringsfase. Dit is vaak een kritiek moment in de productie, omdat de cel voor het eerst wordt opgeladen en een reeks tests ondergaat die de kwaliteit en efficiëntie moeten bewijzen. De laatste stadia van het vormen van een batterij omvatten voorladen, ontgassen en veroudering bij hoge temperatuur. Als die laatste fase achter de rug is, is het apparaat klaar voor gebruik in verschillende toepassingen. Elektrische voertuigen worden aangedreven door lithium-ionbatterijen. Ze behoren tot de meest populaire soorten batterijen, voornamelijk vanwege het feit dat ze het mogelijk maken om meer kilometers te rijden op een enkele lading in vergelijking met andere batterijtypen. Hun fabricageproces lijkt sterk op dat van de meest voorkomende lithiumbatterijen. Kenmerkend voor accu’s van elektrische auto’s is dat ze een serieschakeling vormen van meerdere lithium-ioncellen die zogenaamde modules vormen. Elke module van een batterij bevat enkele tot meer dan tien in serie geschakelde cellen. Vervolgens worden de modules aan elkaar gelast om batterijpakketten te vormen die een kwaliteitscontrole ondergaan.

Grondstoffen voor de productie van batterijen

De meest populaire energieopslagsystemen zijn lithium-ionbatterijen. De productie van deze cellen is complex en vereist in elk stadium topkwaliteit. Een belangrijk punt is om zodanige grondstoffen voor productie te kiezen dat de voltooide batterij volledig kan voldoen aan de marktvraag en de eisen van de consument.

Metalen

De belangrijkste grondstoffen voor de productie van batterijen zijn metalen, voornamelijk lithium, cadmium, nikkel, ijzer, zink en mangaan. Dit laatste is het meest populaire materiaal dat wordt gebruikt om lithium-ionbatterijen te produceren. Andere elementen die worden gebruikt voor de productie van batterijen zijn magnesium en aluminium (als elektroden), vanwege hun hoge standaardpotentieel en elektrochemische equivalent. Een bijkomend voordeel is hun relatief lage prijs en hoge beschikbaarheid. Dit maakt ze tot een ideale vervanger voor populaire elektroden van zink. Een ander metaal dat in batterijen wordt toegepast, is zilver, waarmee veilige cellen met een hoge energiedichtheid kunnen worden geproduceerd. Daarnaast maakt het gebruik van zilver het mogelijk om een ​​hogere accuspanning te behalen ten opzichte van bijvoorbeeld cadmium.

Metaaloxiden

Elektroden in batterijen (kathodes en anodes) zijn niet alleen van metaal. Ook metaaloxiden, zoals mangaan(IV)oxide of zinkoxide, worden gebruikt. Het actieve materiaal in lithium-ionbatterijen is meestal lithium, dat meestal voorkomt in de vorm van oxiden in combinatie met metalen zoals kobalt, mangaan, nikkel, vanadium of ijzer.

Elektrolyten

De elektrolyt is het belangrijkste onderdeel van lithium-ionbatterijen die een vrije stroom van elektronen tussen elektroden mogelijk maakt. Elektrolyten zijn voornamelijk waterige oplossingen of oplossingen in organische stoffen, die ontstaan ​​door het oplossen van een of meer soorten zout, bijvoorbeeld ammoniumchloride, zinkchloride of magnesiumperchloraat. In alkalinebatterijen wordt kaliumhydroxide gebruikt als elektrolyt. Vinyleencarbonaat wordt ook vaak gekozen voor de productie van elektrolyten voor lithium-ionbatterijen. Het is vooral belangrijk voor de dynamisch groeiende sector van batterijen en accu’s. Zeer zuiver vinyleencarbonaat (minimaal 99,99%) is beschikbaar in het brede productassortiment van de PCC Group , een van de toonaangevende fabrikanten en leveranciers van chemicaliën en grondstoffen voor elke industrie.

Grafiet

Grafiet of koolstofpoeder is een belangrijke grondstof voor de productie van elektroden. De structuur van sommige batterijen bevat grafietstaven die de elektronen die uit het circuit komen "verzamelen" en ze over de kathode verdelen. Bovendien vergemakkelijkt de structuur van grafiet de extractie van gassen die worden geproduceerd tijdens een elektrochemische reactie.

Kunststoffen

Kunststoffen , zoals polyethyleen of polypropyleen , zijn uitstekende materialen die worden toegepast bij de productie van batterijscheiders. Ze scheiden de kathode van de anode. Kunststoffen worden ook gebruikt om coatings en behuizingen voor batterijen te maken.