Ako sa vyrábajú batérie?

Štruktúra a princíp fungovania batérií

Batérie produkujú elektrickú energiu chemickou reakciou prebiehajúcou vo vnútri článku. Kľúčom k uskutočneniu tejto reakcie je pohyb elektrónov. Elektróny sú negatívne nabité častice, ktoré počas pohybu generujú elektrinu. Tento tok je možný pri použití dvoch rôznych kovov pôsobiacich ako vodiče. Spojenie kovov spolu iniciuje pohyb elektrónov medzi nimi, čo je spôsobené tým, že elektróny sú ťahané kovmi, ktoré sa označujú ako katóda a anóda. Elektróny budú vždy silnejšie ťahané katódou. Kovy vo vnútri batérie sú prepojené látkou schopnou viesť elektróny, nazývanou elektrolyt. Elektrické vozidlá používajú batérie vyrobené z navzájom prepojených článkov. Použité energetické systémy sa navzájom líšia najmä svojou životnosťou, chemickým zložením a hmotnosťou. Trh s batériami pre elektrické vozidlá sa dynamicky mení. V súčasnosti patria lítium-iónové batérie medzi najobľúbenejšie typy. Ich výroba je zložitá a vyžaduje špičkovú kvalitu v každej fáze. Najpopulárnejšie lítium-iónové batérie sú tie, ktorých články sú založené na takých kovoch, ako je nikel, kobalt alebo mangán. Typy lítium-iónových batérií, ktoré sa najčastejšie vyberajú pre elektrické vozidlá, zahŕňajú lítium-nikel-kobalt-mangánové (NMC) batérie. Oveľa menší záujem sú o lítium-mangánové (LMO), lítium-železo-fosfátové (LFP) a lítium-nikel-kobalt-hliníkové (NCA) batérie.

Ako sa vyrába batéria?

Výroba lítium-iónových a iných článkov sa vyznačuje svojou komplexnosťou a vysokým stupňom automatizácie. Výroba batérií závisí od ich typu, ale hlavné fázy a procesy sú podobné. Zjednodušene povedané, celý výrobný proces možno rozdeliť do troch hlavných „blokov“:

1. Výroba elektród

Bez ohľadu na formát a tvar vyrábanej batérie je prvým krokom výroba elektród. V tomto štádiu je dôležité vyhnúť sa krížovej kontaminácii medzi rôznymi materiálmi, takže v praxi existuje samostatná linka na výrobu katódy a samostatná linka na anódu. Anóda je vyrobená z medenej fólie pokrytej grafitom, zatiaľ čo katóda je vyrobená z hliníkovej fólie potiahnutej vybraným kovom. Medzi najdôležitejšie výrobné fázy patria:

• Miešanie, ktoré spočíva vo výrobe takzvanej suspenzie, čo je zmes práškov (účinných látok) s rozpúšťadlom a ďalšími chemickými látkami, ktoré pôsobia ako spojivá.
• Nanášanie a sušenie: hotová suspenzia sa načerpá do oblasti náteru, kde sa nanesie na kovovú fóliu. Fólia sa potom odošle do sušiacej pece, kde sa odparí rozpúšťadlo a na fóliu sa pripevní účinná látka.
• Kalandrovanie – proces dokončovania potiahnutých roliek. Pohybujú sa medzi dvoma vyhrievanými prvkami, ktoré zaisťujú primerané stlačenie materiálu pritláčaním kotúčov k fólii a tým zachovávajú stabilnú hrúbku a hustotu a lepšiu priľnavosť.
• Rezanie – kovová fólia prechádza sústavou nožov, ktoré ju rozrežú na mnoho menších kúskov, ktorých veľkosti sú vhodné pre vyrábané elektródy.

2. Zostava bunky

Montáž článkov vyžaduje suché prostredie, aby sa zabránilo tvorbe vlhkosti, ktorá môže spôsobiť degradáciu a výrazný pokles účinnosti elektródy. V tomto štádiu sa elektródy odrežú a umiestnia do puzdier. Zostava bunky zahŕňa nasledujúce kroky:

• Rezanie – pri procese rezania vznikajú pravouhlé elektródy. Rezanie sa vykonáva mechanicky alebo laserom.
• Usporiadanie – v obale batérie sú elektródy usporiadané striedavo: anóda, separátor, katóda. Najobľúbenejším spôsobom je skladovanie.
• Montáž – vhodne usporiadané elektródy sa spoja a pripevnia na hlavné svorky zváraním. Takto vyrobený článok s elektródami sa vloží do obalového materiálu a utesní, pričom zostane otvorený okraj na naplnenie elektrolytom.

3. Tvarovanie a kontrola kvality

Potom zmontovaná batéria prechádza fázou kondicionovania. Toto je často kritický moment výroby, pretože článok je prvýkrát nabitý a prechádza celým radom testov, ktoré majú dokázať jeho kvalitu a účinnosť. Konečné fázy formovania batérie zahŕňajú prednabíjanie, odplyňovanie a starnutie pri vysokej teplote. Po dokončení poslednej fázy je zariadenie pripravené na použitie v rôznych aplikáciách. Elektromobily poháňajú lítium-iónové batérie. Patria medzi najobľúbenejšie typy batérií najmä vďaka tomu, že umožňujú najazdiť viac kilometrov na jedno nabitie v porovnaní s inými typmi batérií. Ich výrobný proces je veľmi podobný procesu najbežnejších lítiových batérií. Charakteristickým znakom batérií pre elektromobily je, že tvoria sériové spojenie niekoľkých lítium-iónových článkov, ktoré tvoria takzvané moduly. Každý modul batérie obsahuje niekoľko až viac ako desať článkov zapojených do série. Potom sa moduly zvaria a vytvoria batérie, ktoré podliehajú kontrole kvality.

Suroviny na výrobu batérií

Medzi najobľúbenejšie systémy skladovania energie patria lítium-iónové batérie. Výroba týchto článkov je zložitá a vyžaduje si špičkovú kvalitu v každej fáze. Dôležitou otázkou je výber takých surovín na výrobu, aby hotová batéria plne uspokojila dopyt trhu a požiadavky spotrebiteľov.

Kovy

Medzi najdôležitejšie suroviny na výrobu batérií patria kovy, najmä lítium, kadmium, nikel, železo, zinok a mangán. Posledne menovaný je najpopulárnejším materiálom používaným na výrobu lítium-iónových batérií. Ďalšími prvkami používanými na výrobu batérií sú horčík a hliník (ako elektródy), kvôli ich vysokému štandardnému potenciálu a elektrochemickému ekvivalentu. Ďalšou výhodou je ich relatívne nízka cena a vysoká dostupnosť. Vďaka tomu sú ideálnou náhradou populárnych elektród vyrobených zo zinku. Ďalším kovom používaným v batériách je striebro, ktoré umožňuje vyrábať bezpečné články s vysokou hustotou energie. Okrem toho použitie striebra umožňuje dosiahnuť vyššie napätie batérie napríklad v porovnaní s kadmiom.

Oxidy kovov

Elektródy v batériách (katódy a anódy) nie sú vyrobené len z kovov. Používajú sa tiež oxidy kovov, ako je oxid mangánu (IV) alebo oxid zinočnatý. Aktívnym materiálom v lítium-iónových batériách je zvyčajne lítium, ktoré sa najčastejšie vyskytuje vo forme oxidov kombinovaných s takými kovmi, ako je kobalt, mangán, nikel, vanád alebo železo.

Elektrolyty

Elektrolyt je kľúčovou zložkou lítium-iónových batérií, ktorá umožňuje voľný tok elektrónov medzi elektródami. Elektrolyty sú v zásade vodné roztoky alebo roztoky v organických látkach, ktoré sa vyrábajú rozpustením jedného alebo viacerých typov solí, napríklad chloridu amónneho, chloridu zinočnatého alebo chloristanu horečnatého. V alkalických batériách sa ako elektrolyt používa hydroxid draselný . Vinylénkarbonát sa tiež bežne vyberá na výrobu elektrolytov pre lítium-iónové batérie. Je to dôležité najmä pre dynamicky rastúci sektor batérií a akumulátorov. Vysoko čistý vinylénkarbonát (minimálne 99,99%) je dostupný v širokom sortimente PCC Group , ktorá je jedným z popredných výrobcov a dodávateľov chemikálií a surovín pre všetky priemyselné odvetvia.

Grafit

Grafit alebo práškový uhlík je kľúčovou surovinou na výrobu elektród. Štruktúra niektorých batérií obsahuje grafitové tyče, ktoré „zbierajú“ elektróny prúdiace z obvodu a distribuujú ich cez katódu. Okrem toho štruktúra grafitu uľahčuje extrakciu plynov vznikajúcich pri elektrochemickej reakcii.

Plasty

Plasty , ako je polyetylén alebo polypropylén , sú vynikajúce materiály, ktoré sa používajú pri výrobe separátorov batérií. Oddeľujú katódu od anódy. Plasty sa tiež používajú na výrobu povlakov a obalov batérií.