В последние годы спрос на аккумуляторы, особенно на литий-ионные, стал превышать предложение. Их доступность по всему миру становится стратегическим вопросом, определяющим конкурентоспособность и развитие во все большем числе отраслей экономики, например, при производстве электроинструментов или систем накопления энергии. Процесс производства литий-ионных элементов сложен и зависит от целого ряда факторов, в том числе, прежде всего, от качества сырья, получаемого для производства аккумуляторов, целей устойчивого развития или возможности увеличения производственных мощностей.
Аккумуляторы вырабатывают электрическую энергию в результате химической реакции внутри элемента. Данная реакция обуславливается движением электронов. Электроны представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые, двигаясь, генерируют электрическую энергию. Этот переток возможен благодаря применению в аккумуляторе двух разных металлов, которые являются проводниками. Когда эти металлы соединяются проводником, то начинается движение электронов между ними, вызванное притяжением их используемыми металлами, называемыми анодом и катодом. Электроны всегда будут притягиваться с большей силой к катоду. Металлы внутри аккумулятора соединены друг с другом посредством вещества, способного проводить электроны, называемого электролитом.
В электромобилях применяются аккумуляторы, состоящие из соединенных между собой элементов. Применяемые системы электропитания отличаются друг от друга в первую очередь сроком службы, химическим составом, а также массой. На рынке аккумуляторов для электромобилей постоянно происходят динамичные изменения. В настоящее время к числу наиболее часто применяемых аккумуляторов относятся литий-ионные аккумуляторы. Их производство представляет собой сложный процесс и требует обеспечения высочайшего качества на каждом его этапе. Среди литий-ионных аккумуляторов лидируют те, элементы которых основаны на таких металлах, как никель, кобальт или марганец. К числу наиболее часто выбираемых типов литий-ионных аккумуляторов в электромобилях относятся литий-никель-кобальт-марганцевые (NMC) аккумуляторы. Очевидно, меньшей популярностью пользуются литий-марганцевые (LMO), литий-железо-фосфатные (LFP) и литий-никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторы.
Производство литий-ионных и других элементов характеризуется сложностью и высокой степенью автоматизации. Производство аккумуляторов зависит от их типа, но основные этапы и процессы аналогичны. В упрощенном виде весь производственный процесс можно разделить на три основных стадии:
Независимо от размера и формы производимого аккумулятора, первым этапом является создание электродов. На этом этапе важно избегать перекрестного загрязнения между материалами, поэтому на практике часто создаются отдельная линия для производства катода и отдельная линия для анода. Анод изготавливается из медной фольги, покрытой слоем графита, тогда как катод — из алюминиевой фольги, покрытой выбранным металлом. К наиболее важным этапам производства электродов относятся:
Во время сборки элементов необходимо обеспечить сухую среду, чтобы не допустить образования влаги, которая может в итоге привести к деградации и значительному снижению эффективности электрода. На этом этапе электроды обрезаются и помещаются в корпуса. Сборка элементов включает в себя следующие этапы:
После сборки аккумулятор проходит этап кондиционирования. Зачастую это критический момент в процессе производства, потому что элемент заряжается в первый раз и проходит серию испытаний для подтверждения его качества и эффективности. К заключительным этапам формирования аккумулятора относятся предварительная зарядка, дегазация и высокотемпературное старение. После завершения этого заключительного этапа возникшее устройство готово к применению в различных приложениях.
Электромобили питаются от литий-ионных аккумуляторов. Это один из самых популярных типов аккумуляторов, в основном из-за того, что они позволяют проехать больше километров без подзарядки по сравнению с другими типами аккумуляторов. Процесс их изготовления очень похож на наиболее часто производимые литиевые аккумуляторы. Характерной особенностью аккумуляторов для электромобилей является то, что они представляют собой последовательное соединение нескольких литий-ионных элементов, образующих так называемые модули. Каждый аккумуляторный модуль содержит несколько последовательно соединенных элементов. Затем модули свариваются друг с другом, образуя аккумуляторные блоки, и подвергаются контролю качества.
К числу наиболее популярных систем накопления энергии относятся литий-ионные аккумуляторы. Производство этих элементов является сложным и требует обеспечения высочайшего качества на каждом этапе. Важным вопросом является подбор сырья для производства аккумуляторов, чтобы готовый продукт мог полностью удовлетворить потребности рынка и требования потребителей.
Среди важнейших видов сырья для производства аккумуляторов прежде всего следует упомянуть металлы, такие как литий, кадмий, никель, железо, цинк и марганец. Последний из упомянутых является материалом, наиболее часто применяемым при производстве литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, в конструкции аккумуляторов также применяются магний и алюминий (в качестве электродов) из-за их высокого стандартного потенциала и электрохимического эквивалента. Дополнительным преимуществом является относительно невысокая цена, а также значительная доступность. Благодаря этому могут стать прекрасной заменой популярным электродам, изготовленным из цинка. Еще одним металлом, применяемым в аккумуляторах, является серебро, которое позволяет создавать безопасные элементы с высокой плотностью энергии. Кроме того, благодаря применению серебра достигается более высокое напряжение в аккумуляторах по сравнению, например, с кадмием.
Электроды в аккумуляторах, т. е. катоды и аноды, изготавливаются не только из металлов. Для этой цели также применяются оксиды металлов, например, оксид марганца (IV) или оксид цинка. Активным материалом в литий-ионных батареях обычно является литий, который чаще всего присутствует в виде оксидов в сочетании с такими металлами, как кобальт, марганец, никель, ванадий или железо.
Электролит является ключевым компонентом литий-ионных аккумуляторов, который обеспечивает свободный переток электронов между электродами. Электролиты — это прежде всего водные растворы или растворы в органических веществах, которые образуются при растворении одного или нескольких типов солей, например хлорида аммония, хлорида цинка или перхлората магния. В щелочных аккумуляторах электролитом является гидроксид калия. Часто выбираемым продуктом для изготовления электролитов литий-ионных аккумуляторов является виниленкарбонат. Он имеет особое значение для динамично развивающегося сектора батарей и аккумуляторов. Виниленкарбонат высокой чистоты (минимум 99,99 %) имеется в широком коммерческом предложении Группы PCC, которая является одним из лидеров среди производителей и поставщиков химикатов и сырья для разных отраслей.
Графит или порошкообразный уголь является основным сырьем при изготовлении электродов. В некоторых батареях внутри конструкции размещены графитовые стержни, задачей которых является «сбор» электронов, вытекающих из цепи, и распределение их по катоду. Кроме того, благодаря своей структуре графит способствует удалению газов, образующихся в ходе электрохимической реакции.
Такие материалы, как, например, полиэтилен или полипропилен, широко применяются для изготовления сепараторов аккумуляторов, которые разделяют катод и анод друг от друга. Пластмассы также применяются для изготовления покрытий и корпусов в аккумуляторах.
