Jak produkowane są baterie?

Budowa i zasada działania baterii

Baterie produkują energię elektryczną w wyniku zachodzącej wewnątrz ogniwa reakcji chemicznej. Kluczem zachodzenia tej reakcji jest ruch elektronów. Elektrony są ujemnie naładowanymi cząstkami, które poruszając się, generują energię elektryczną. Ten przepływ jest możliwy dzięki zastosowaniu w baterii dwóch, różnych metali, będących przewodnikami. Gdy metale te zostaną połączone przewodem zaczyna się ruch elektronów pomiędzy nimi, spowodowany przyciąganiem ich przez użyte metale, określane jako anoda i katoda. Elektrony zawsze z większą siłą będą przyciągane przez katodę. Metale wewnątrz baterii są połączone ze sobą poprzez substancję zdolną do przewodzenia elektronów, nazywaną elektrolitem.

W samochodach elektrycznych wykorzystywane są baterie zbudowane z wzajemnie połączonych ogniw. Stosowane układy zasilania różnią się między sobą przede wszystkim żywotnością, składem chemicznym, ale również wagą. Na rynku baterii do samochodów elektrycznych wciąż zachodzą dynamiczne zmiany. Obecnie do najczęściej wykorzystywanych zalicza się baterie litowo-jonowe. Ich produkcja jest złożonym procesem i wymaga zapewnienia najwyższej jakości na każdym jego etapie. Wśród baterii litowo-jonowych, prym wiodą te, których ogniwa bazują na takich metalach jak nikiel, kobalt czy mangan. Do najczęściej wybieranych typów baterii litowo-jonowych w samochodach elektrycznych, należą baterie litowo-niklowo-kobaltowo-manganowe (NMC). Zdecydowanie mniejszym zainteresowaniem cieszą się akumulatory litowo-manganowe (LMO), litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) oraz litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe (NCA).

W jaki sposób powstaje bateria?

Produkcja ogniw litowo-jonowych i innych, charakteryzuje się złożonością oraz wysokim stopniem zautomatyzowania. Produkcja baterii jest uzależniona od ich rodzaju, ale główne etapy i procesy są analogiczne. W dużym uproszczeniu cały proces produkcyjny można podzielić na trzy główne “bloki” działań:

1. Wytwarzanie elektrod

Bez względu na format i kształt produkowanej baterii, pierwszym krokiem jest stworzenie elektrod. Na tym etapie ważne jest, aby uniknąć zanieczyszczeń krzyżowych pomiędzy materiałami, dlatego w praktyce często tworzy się osobną linię do produkcji katody, a osobną do anody. Anodę wykonuje się z folii miedzianej pokrytej grafitem, natomiast katodę stanowi folia aluminiowa powleczona wybranym metalem. Do najważniejszych faz produkcji elektrod należą:

• Mieszanie – polega na wytworzeniu tzw. zawiesiny, która jest mieszaniną proszków (substancji aktywnych) wraz z rozpuszczalnikiem oraz innymi substancjami chemicznymi, pełniącymi rolę spoiwa.
• Powlekanie i suszenie – po wytworzeniu, zawiesina jest pompowana do obszaru powlekania, gdzie jest nanoszona na folie metalową. Folia ta trafia następnie do pieca suszącego, gdzie rozpuszczalnik ulega odparowaniu, a substancja czynna zostaje przytwierdzona do folii.
• Kalandrowanie – jest to proces wykończeniowy powlekanych rolek. Przemieszczają się one pomiędzy dwoma podgrzewanymi elementami, które dociskając rolki z folią zapewniają ściśnięcie materiału, a tym samym utrzymują stałą grubość, gęstość i lepszą przyczepność.
• Cięcie – folia metalowa przechodzi przez układ noży, które tną ją na wiele mniejszych kawałków, dopasowanych rozmiarami do mających powstać elektrod.

2. Montaż ogniw

Podczas montażu ogniw konieczne jest zapewnienie suchego środowiska, aby zapobiec powstawaniu wilgoci mogącej w konsekwencji doprowadzić do degradacji i znacznego spadku wydajności elektrody. Na tym etapie elektrody są cięte i umieszczane w obudowach. Montaż ogniw obejmuje następujące kroki:

• Wycinanie – podczas procesu cięcia produkowane są prostokątne elektrody. Cięcie wykonuje się mechanicznie lub laserowo.
• Układanie – w obudowie baterii układane są naprzemiennie anoda, separator i katoda. Najczęściej stosuje się układanie w stosy.
• Montaż – ułożone w odpowiedni sposób elektrody są łączone i przymocowywane do głównych zacisków w procesie spawania. Powstałą w ten sposób komórkę z elektrodami, umieszcza się w materiale opakowaniowym i uszczelnia, pozostawiając otwartą krawędź do napełnienia elektrolitem.

3. Formowanie i kontrola jakości

Po złożeniu, bateria przechodzi fazę kondycjonowania. Jest to często krytyczny moment produkcji, ponieważ ogniwo jest po raz pierwszy ładowane i przechodzi szereg testów, które mają potwierdzić jego jakość oraz wydajność. Do końcowych etapów formowania baterii zalicza się wstępne ładowanie, odgazowanie i starzenie w wysokiej temperaturze. Po zakończeniu tej ostatniej fazy, powstałe urządzenie jest gotowe do użycia w różnych zastosowaniach.

Samochody elektryczne zasilane są akumulatorami litowo-jonowymi. Są to jedne z najpopularniejszych typów akumulatorów, głównie ze względu na to, że pozwalają na pokonanie większej ilości kilometrów na jednym ładowaniu, w porównaniu z innymi rodzajami akumulatorów. Proces ich powstawania jest bardzo podobny w porównaniu do najczęściej produkowanych baterii litowych. Cechą charakterystyczną akumulatorów do samochodów elektrycznych jest to, że stanowią one połączenie szeregowe kilku ogniw litowo-jonowych, które tworzą tzw. moduły. Każdy moduł baterii zawiera od kilku do kilkunastu ogniw połączonych w sposób szeregowy. Następnie moduły są ze sobą spawane tworząc zestawy akumulatorów i poddawane kontroli jakości.

Surowce do produkcji baterii

Do najpopularniejszych układów magazynowania energii zalicza się baterie litowo-jonowe. Produkcja tych ogniw jest złożona i wymaga zapewnienia najwyższej jakości na każdym etapie. Ważnym zagadnieniem jest wybór surowców do produkcji baterii, aby gotowy produkt w pełni mógł sprostać potrzebom rynku oraz wymaganiom konsumentów.

Metale

Wśród najważniejszych surowców do produkcji baterii, należy wymienić przede wszystkim metale takie jak lit, kadm, nikiel, żelazo, cynk i mangan. Ostatni z wymienionych jest najczęstszym materiałem stosowanym do produkcji akumulatorów litowo-jonowych. Ponadto do budowy baterii wykorzystywane są także magnez i aluminium (jako elektrody), ze względu na ich wysoki potencjał standardowy oraz równoważnik elektrochemiczny. Dodatkową zaletą jest relatywnie niska cena, a także znaczna dostępność. Dzięki temu mogą być doskonałym zamiennikiem dla popularnych elektrod wykonanych z cynku. Innym metalem stosowanym w bateriach jest srebro, które pozwala uzyskać bezpieczne ogniwa o dużej gęstości energii. Po za tym dzięki zastosowaniu srebra, osiąga się wyższe napięcia w baterii w porównaniu np. z kadmem.

Tlenki metali

Elektrody w bateriach, czyli katody i anody nie są wykonywane tylko i wyłącznie z metali. Do tego celu wykorzystuje się także tlenki metali, np. tlenek manganu (IV) lub tlenek cynku. Materiałem aktywnym w bateriach litowo-jonowych jest zwykle lit, który najczęściej występuje w formie tlenków łączonych z takimi metalami jak kobalt, mangan, nikiel, wanad lub żelazo.

Elektrolity

Elektrolit jest kluczowym składnikiem baterii litowo-jonowych, który umożliwia swobodny przepływ elektronów pomiędzy elektrodami. Elektrolitami są przede wszystkim roztwory wodne lub roztwory w substancjach organicznych, które powstają przez rozpuszczenie jednego lub więcej rodzajów soli, np. chlorku amonu, chlorku cynku lub nadchloranu magnezu. W bateriach alkalicznych elektrolitem jest wodorotlenek potasu. Chętnie wybieranym produktem do wytwarzania elektrolitów baterii litowo-jonowych jest węglan winylenu. Ma on szczególne znaczenie dla dynamicznie rozwijającego się sektora baterii i akumulatorów. Węglan winylenu o wysokiej czystości (minimum 99,99%) jest dostępny w szerokiej ofercie Grupy PCC, która jest jednym z liderów wśród producentów i dostawców chemikaliów oraz surowców dla każdej branży.

Grafit

Grafit lub sproszkowany węgiel jest kluczowym surowcem przy wytwarzaniu elektrod. W niektórych bateriach, wewnątrz konstrukcji umieszczane są pręty grafitowe, których zadaniem jest “zbieranie” napływających z obwodu elektronów i rozprowadzanie je po katodzie. Ponadto dzięki swojej budowie, grafit ułatwia usunięcie gazów powstających w trakcie reakcji elektrochemicznej.

Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne takie jak np. polietylen lub polipropylen to doskonałe materiały, z których wykonywane są separatory baterii. Oddzielają one od siebie katodę i anodę. Z tworzyw sztucznych powstają również powłoki i obudowy w bateriach.