แบตเตอรี่ทำอย่างไร?

โครงสร้างและหลักการทำงานของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ กุญแจสำคัญในการทำปฏิกิริยานั้นคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าขณะเคลื่อนที่ การไหลนี้เป็นไปได้ด้วยการใช้โลหะสองชนิดที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำ การเดินสายโลหะเข้าด้วยกันจะเริ่มต้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนระหว่างพวกมัน ซึ่งเกิดจากการที่อิเล็กตรอนถูกดึงโดยโลหะที่เรียกว่าแคโทดและแอโนด อิเลคตรอนจะถูกแคโทดดึงให้แรงขึ้นเสมอ โลหะภายในแบตเตอรี่เชื่อมต่อกันโดยสารที่สามารถนำอิเล็กตรอนที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ รถยนต์ไฟฟ้า ใช้แบตเตอรี่ที่สร้างขึ้นจากเซลล์ที่เชื่อมต่อถึงกัน ระบบกำลังไฟฟ้าที่ใช้มีความแตกต่างกันโดยหลักจากอายุการใช้งาน องค์ประกอบทางเคมี และน้ำหนัก ตลาดของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เป็นประเภทที่ได้รับความนิยมมากที่สุด การผลิตมีความซับซ้อนและต้องการคุณภาพสูงสุดในแต่ละขั้นตอน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ได้รับความนิยมสูงสุดคือแบตเตอรี่ที่มีเซลล์เป็นโลหะ เช่น นิกเกิล โคบอลต์ หรือแมงกานีส ประเภทของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เลือกใช้กันมากที่สุดสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ได้แก่ แบตเตอรี่ลิเธียม-นิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีส (NMC) แบตเตอรี่ลิเธียมแมงกานีส (LMO), แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) และแบตเตอรี่ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์อลูมิเนียม (NCA) มีความสนใจต่ำกว่ามาก

แบตเตอรี่ทำอย่างไร?

การผลิตลิเธียมไอออนและเซลล์อื่นๆ มีความซับซ้อนและมีระบบอัตโนมัติในระดับสูง การผลิตแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับประเภทของแบตเตอรี่ แต่ขั้นตอนและกระบวนการหลักจะคล้ายคลึงกัน เพื่อให้ง่าย กระบวนการผลิตทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็น "บล็อก" หลักสามส่วน:

1. การผลิตอิเล็กโทรด

โดยไม่คำนึงถึงรูปแบบและรูปร่างของแบตเตอรี่ที่ผลิต ขั้นตอนแรกคือการสร้างอิเล็กโทรด ในขั้นตอนนี้ สิ่งสำคัญคือต้องหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนข้ามระหว่างวัสดุต่างๆ ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมีสายแยกสำหรับการผลิตแคโทดและสายแยกสำหรับขั้วบวก แอโนดผลิตจากฟอยล์ทองแดงหุ้มด้วยกราไฟต์ ขณะที่แคโทดทำจากฟอยล์อะลูมิเนียมเคลือบด้วยโลหะที่คัดสรร ขั้นตอนการผลิตที่สำคัญที่สุด ได้แก่ :

• การผสมซึ่งประกอบด้วยการผลิตสารแขวนลอยซึ่งเป็นส่วนผสมของผง (สารออกฤทธิ์) กับตัวทำละลายและสารเคมีอื่น ๆ ที่ทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะ
• การเคลือบและการทำให้แห้ง: ปั๊มสารแขวนลอยที่เตรียมไว้ลงในพื้นที่เคลือบ โดยทาบนฟอยล์โลหะ จากนั้น ฟอยล์จะถูกส่งไปยังเตาทำให้แห้ง ซึ่งตัวทำละลายจะระเหยและสารออกฤทธิ์ติดอยู่กับฟอยล์
• Calendering – ขั้นตอนการทำม้วนเคลือบให้เสร็จ พวกเขากำลังเคลื่อนที่ระหว่างองค์ประกอบความร้อนสองชิ้นที่ให้การบีบอัดวัสดุที่เหมาะสมโดยการกดม้วนเข้ากับฟอยล์ ดังนั้นจึงรักษาความหนาและความหนาแน่นที่คงที่และการยึดเกาะที่ดีขึ้น
• การตัด – ฟอยล์โลหะจะทำงานด้วยระบบมีดที่ตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ จำนวนมากที่มีขนาดเหมาะสมกับอิเล็กโทรดที่จะผลิต

2. การประกอบเซลล์

การประกอบเซลล์ต้องใช้สภาพแวดล้อมที่แห้งเพื่อป้องกันการก่อตัวของความชื้นที่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพและประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดลดลงอย่างมาก ในขั้นตอนนี้ อิเล็กโทรดจะถูกตัดและใส่ในกล่อง การประกอบเซลล์ครอบคลุมขั้นตอนต่อไปนี้:

• การตัด – อิเล็กโทรดรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าผลิตขึ้นในระหว่างกระบวนการตัด การตัดจะดำเนินการด้วยกลไกหรือด้วยเลเซอร์
• การจัดเรียง – ในปลอกแบตเตอรี่ อิเล็กโทรดจะถูกจัดเรียงสลับกัน: แอโนด, ตัวคั่น, แคโทด วิธีที่นิยมที่สุดคือถุงน่อง
• การประกอบ – เชื่อมต่ออิเล็กโทรดที่จัดเรียงอย่างเหมาะสมและติดเข้ากับแคลมป์หลักโดยการเชื่อม เซลล์ที่ผลิตด้วยอิเล็กโทรดจะถูกใส่ในวัสดุบรรจุภัณฑ์และปิดผนึก เหลือขอบเปิดสำหรับเติมอิเล็กโทรไลต์

3. การขึ้นรูปและการควบคุมคุณภาพ

จากนั้นแบตเตอรี่ที่ประกอบแล้วจะผ่านขั้นตอนการปรับสภาพ นี่เป็นช่วงเวลาสำคัญของการผลิต เนื่องจากการชาร์จเซลล์เป็นครั้งแรกและผ่านการทดสอบต่างๆ เพื่อพิสูจน์คุณภาพและประสิทธิภาพ ขั้นตอนสุดท้ายของการขึ้นรูปแบตเตอรี่ ได้แก่ การชาร์จล่วงหน้า การไล่ก๊าซ และการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง เมื่อขั้นตอนสุดท้ายเสร็จสิ้น อุปกรณ์จะพร้อมใช้งานในแอปพลิเคชันต่างๆ รถยนต์ไฟฟ้าใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่เหล่านี้เป็นหนึ่งในแบตเตอรี่ประเภทที่ได้รับความนิยมสูงสุด โดยส่วนใหญ่เป็นผลมาจากความจริงที่ว่าแบตเตอรี่เหล่านี้สามารถขับได้ไกลขึ้นด้วยการชาร์จหนึ่งครั้งเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ กระบวนการผลิตของพวกเขาคล้ายกับแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไปมาก คุณลักษณะเฉพาะของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าคือประกอบด้วยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของเซลล์ลิเธียมไอออนหลายเซลล์ที่ประกอบกันเป็นโมดูล แต่ละโมดูลของแบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์จำนวนน้อยถึงมากกว่าสิบเซลล์ที่ต่ออนุกรมกัน จากนั้นโมดูลจะถูกเชื่อมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างชุดแบตเตอรี่ที่ผ่านการควบคุมคุณภาพ

วัตถุดิบในการผลิตแบตเตอรี่

ระบบกักเก็บพลังงานที่ได้รับความนิยมสูงสุด ได้แก่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การผลิตเซลล์เหล่านี้มีความซับซ้อนและต้องการคุณภาพสูงสุดในแต่ละขั้นตอน ประเด็นสำคัญคือการเลือกวัตถุดิบสำหรับการผลิตที่แบตเตอรี่สำเร็จรูปสามารถตอบสนองความต้องการของตลาดและความต้องการของผู้บริโภคได้อย่างเต็มที่

โลหะ

วัตถุดิบที่สำคัญที่สุดในการผลิตแบตเตอรี่ ได้แก่ โลหะ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นลิเธียม แคดเมียม นิกเกิล เหล็ก สังกะสี และแมงกานีส หลังเป็นวัสดุที่นิยมใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน องค์ประกอบอื่นๆ ที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ ได้แก่ แมกนีเซียมและ อะลูมิเนียม (เป็นอิเล็กโทรด) เนื่องจากมีศักยภาพมาตรฐานสูงและเทียบเท่ากับเคมีไฟฟ้า ข้อดีเพิ่มเติมคือราคาที่ค่อนข้างต่ำและความพร้อมใช้งานสูง สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทดแทนอิเล็กโทรดยอดนิยมที่ทำจากสังกะสี โลหะอีกชนิดหนึ่งที่ใช้ในแบตเตอรี่คือเงิน ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตเซลล์ที่ปลอดภัยซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูงได้ นอกจากนี้ การใช้แร่เงินยังช่วยให้ได้แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับแคดเมียม เป็นต้น

ออกไซด์ของโลหะ

อิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ (แคโทดและแอโนด) ไม่ได้ทำมาจากโลหะเท่านั้น นอกจากนี้ยังใช้ออกไซด์ของโลหะ เช่น แมงกานีส (IV) ออกไซด์หรือซิงค์ออกไซด์ วัสดุที่ใช้งานอยู่ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักจะเป็นลิเธียม ซึ่งส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นในรูปของออกไซด์ที่รวมกับโลหะต่างๆ เช่น โคบอลต์ แมงกานีส นิกเกิล วาเนเดียม หรือเหล็ก

อิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนประกอบสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ช่วยให้อิเล็กตรอนไหลระหว่างอิเล็กโทรดได้อย่างอิสระ อิเล็กโทรไลต์โดยหลักแล้วเป็นสารละลายในน้ำหรือสารละลายในสารอินทรีย์ ซึ่งผลิตโดยสารละลายเกลือหนึ่งชนิดหรือมากกว่า ตัวอย่างเช่น แอมโมเนียมคลอไรด์ ซิงค์คลอไรด์ หรือแมกนีเซียมเปอร์คลอเรต ในแบตเตอรี่อัลคาไลน์จะใช้ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ เป็นอิเล็กโทรไลต์ ไวนีลีนคาร์บอเนตยังถูกเลือกโดยทั่วไปสำหรับการผลิตอิเล็กโทรไลต์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับภาคแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุที่เติบโตอย่างรวดเร็ว ไวนิลลีนคาร์บอเนตที่มีความบริสุทธิ์สูง (ขั้นต่ำ 99.99%) มีอยู่ในกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายของ PCC Group ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ผลิตและซัพพลายเออร์ชั้นนำของสารเคมีและวัตถุดิบสำหรับอุตสาหกรรมต่างๆ

กราไฟท์

กราไฟต์ หรือผงคาร์บอนเป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตอิเล็กโทรด โครงสร้างของแบตเตอรี่บางก้อนประกอบด้วยแท่งแกรไฟต์ที่ "รวบรวม" อิเล็กตรอนที่ไหลเข้ามาจากวงจรและกระจายไปทั่วแคโทด นอกจากนี้ โครงสร้างของกราไฟต์ยังช่วยอำนวยความสะดวกในการสกัดก๊าซที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี

พลาสติก

พลาสติก เช่น โพลิเอทิลีน หรือ โพลิโพรพิลีน เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมซึ่งใช้ในการผลิตตัวแยกแบตเตอรี่ พวกเขาแยกแคโทดออกจากแอโนด พลาสติกยังใช้เคลือบและหุ้มแบตเตอรี่