Hur tillverkas batterier?

Batteriernas struktur och funktionsprincip

Batterier producerar elektrisk energi genom den kemiska reaktionen som sker inuti cellen. Nyckeln till att utföra den reaktionen är elektronernas rörelse. Elektroner är negativt laddade partiklar som genererar elektricitet medan de rör sig. Detta flöde är möjligt med användning av två olika metaller som fungerar som ledare. Att koppla ihop metallerna initierar elektronernas rörelse mellan dem, vilket orsakas av att elektronerna dras av metallerna som kallas katod och anod. Elektroner kommer alltid att dras starkare av katoden. Metallerna inuti ett batteri är sammankopplade av ett ämne som kan leda elektroner, kallat elektrolyten. Elfordon använder batterier byggda av sammankopplade celler. De kraftsystem som används skiljer sig huvudsakligen från varandra genom deras livslängd, kemiska sammansättning och vikt. Marknaden för elbilsbatterier förändras dynamiskt. För närvarande är litiumjonbatterier bland de mest populära typerna. Deras produktion är komplex och kräver högsta kvalitet i varje led. De mest populära litiumjonbatterierna är de vars celler är baserade på sådana metaller som nickel, kobolt eller mangan. De typer av litiumjonbatterier som oftast väljs för elfordon inkluderar litium-nickel-kobolt-mangan (NMC)-batterier. Litium-mangan (LMO), litium-järn-fosfat (LFP) och litium-nickel-kobolt-aluminium (NCA) batterier är av mycket lägre intresse.

Hur tillverkas ett batteri?

Tillverkning av litiumjonceller och andra celler kännetecknas av dess komplexitet och en hög grad av automatisering. Produktionen av batterier beror på deras typ, men de huvudsakliga stegen och processerna är likartade. För att uttrycka det enkelt kan hela tillverkningsprocessen delas in i tre huvudblock:

1. Elektrodproduktion

Oavsett format och form på batteriet som produceras är det första steget att tillverka elektroderna. I detta skede är det viktigt att undvika korskontaminering mellan olika material, så i praktiken finns det en separat linje för framställning av katoden och en separat linje för anoden. Anoden är tillverkad av kopparfolie täckt med grafit, medan katoden är gjord av aluminiumfolie belagd med en utvald metall. De viktigaste produktionsfaserna inkluderar:

• Blandning, som består i att framställa den så kallade suspensionen som är en blandning av pulver (aktiva ämnen) med ett lösningsmedel, och andra kemiska ämnen som fungerar som bindemedel.
• Beläggning och torkning: en färdig suspension pumpas in i beläggningsområdet, där den appliceras på en metallfolie. Folien skickas sedan till en torkugn, där lösningsmedlet avdunstar och den aktiva substansen fästs på folien.
• Kalandrering – processen för att avsluta de belagda rullarna. De rör sig mellan två uppvärmda element som ger lämplig komprimering av materialet genom att pressa rullarna mot folien och därmed bibehålla en stabil tjocklek och densitet och en bättre vidhäftning.
• Skärning – metallfolien går genom ett system av knivar som skär den i många mindre bitar vars storlekar är anpassade till elektroderna som ska tillverkas.

2. Cellmontering

Monteringen av celler kräver en torr miljö för att förhindra bildning av fukt som kan orsaka nedbrytning och en betydande minskning av elektrodens effektivitet. I detta skede skärs elektroderna och placeras i höljen. Cellmontering omfattar följande steg:

• Skärning – rektangulära elektroder produceras under skärningsprocessen. Skärningen utförs mekaniskt eller med laser.
• Arrangering – i ett batterihölje är elektroderna anordnade växelvis: anod, separator, katod. Det mest populära sättet är strumpa.
• Montering – lämpligt anordnade elektroder ansluts och fästs på huvudklämmorna genom svetsning. Den så producerade cellen med elektroder placeras i förpackningsmaterial och förseglas, vilket lämnar en öppen kant för fyllning med elektrolyt.

3. Formning och kvalitetskontroll

Sedan går ett monterat batteri genom konditioneringsfasen. Detta är ofta ett kritiskt produktionsmoment, eftersom cellen laddas för första gången och genomgår en rad tester som ska bevisa dess kvalitet och effektivitet. De sista stadierna av att bilda ett batteri inkluderar förladdning, avgasning och åldring vid hög temperatur. När den sista fasen är klar är enheten redo att användas i olika applikationer. Elfordon drivs av litiumjonbatterier. De är bland de mest populära typerna av batterier, främst på grund av att de tillåter att köra fler mil på en enda laddning jämfört med andra batterityper. Deras tillverkningsprocess är mycket lik den för de vanligaste litiumbatterierna. Utmärkande för elbilsbatterier är att de utgör en seriekoppling av flera litiumjonceller som utgör så kallade moduler. Varje modul i ett batteri innehåller några till fler än tio celler kopplade i serie. Därefter svetsas modulerna samman till batteripaket som genomgår kvalitetskontroll.

Råvaror för batteriproduktion

De mest populära energilagringssystemen inkluderar litiumjonbatterier. Produktionen av dessa celler är komplex och kräver högsta kvalitet i varje steg. En viktig fråga är att välja sådana råvaror för produktion att det färdiga batteriet fullt ut kan möta marknadens efterfrågan och konsumenternas krav.

Metaller

De viktigaste råvarorna för batteritillverkning är metaller, främst litium, kadmium, nickel, järn, zink och mangan. Det senare är det mest populära materialet som används för att tillverka litiumjonbatterier. Andra element som används för batteriproduktion är magnesium och aluminium (som elektroder), på grund av deras höga standardpotential och elektrokemiska motsvarighet. En ytterligare fördel är deras relativt låga pris och höga tillgänglighet. Detta gör dem till ett idealiskt substitut för populära elektroder gjorda av zink. En annan metall som används i batterier är silver, vilket gör det möjligt att producera säkra celler med hög energitäthet. Dessutom gör användningen av silver det möjligt att uppnå högre batterispänning jämfört med till exempel kadmium.

Metalloxider

Elektroder i batterier (katoder och anoder) är inte bara gjorda av metaller. Metalloxider, såsom mangan(IV)oxid eller zinkoxid, används också. Det aktiva materialet i litiumjonbatterier är vanligtvis litium, vilket oftast förekommer i form av oxider i kombination med sådana metaller som kobolt, mangan, nickel, vanadin eller järn.

Elektrolyter

Elektrolyten är nyckelkomponenten i litiumjonbatterier som möjliggör ett fritt flöde av elektroner mellan elektroderna. Elektrolyter är i huvudsak vattenlösningar eller lösningar i organiska ämnen, som framställs genom att lösa en eller flera typer av salt, till exempel ammoniumklorid, zinkklorid eller magnesiumperklorat. I alkaliska batterier används kaliumhydroxid som elektrolyt. Vinylenkarbonat väljs också vanligtvis för att producera elektrolyter för litiumjonbatterier. Det är särskilt viktigt för den dynamiskt växande sektorn för batterier och ackumulatorer. Vinylenkarbonat med hög renhet (minst 99,99%) finns tillgängligt i det breda produktsortimentet från PCC Group , som är en av de ledande tillverkarna och leverantörerna av kemikalier och råvaror för alla branscher.

Grafit

Grafit eller pulveriserat kol är en viktig råvara för elektrodproduktion. Strukturen hos vissa batterier inkluderar grafitstänger som "samlar" elektronerna som strömmar in från kretsen och fördelar dem över katoden. Dessutom underlättar grafitens struktur utvinningen av gaser som produceras under en elektrokemisk reaktion.

Plast

Plast , såsom polyeten eller polypropen , är utmärkta material som används vid tillverkning av batteriseparatorer. De separerar katoden från anoden. Plast används också för att tillverka beläggningar och höljen för batterier.