Piller nasıl yapılır?

Pillerin yapısı ve çalışma prensibi

Piller, hücre içinde meydana gelen kimyasal reaksiyon sayesinde elektrik enerjisi üretirler. Bu reaksiyonu gerçekleştirmenin anahtarı elektronların hareketidir. Elektronlar hareket halindeyken elektrik üreten negatif yüklü parçacıklardır. Bu akış, iletken görevi gören iki farklı metalin kullanılmasıyla mümkündür. Metallerin birbirine bağlanması, elektronların katot ve anot olarak adlandırılan metaller tarafından çekilmesinden kaynaklanan elektronların aralarındaki hareketini başlatır. Elektronlar her zaman katot tarafından daha güçlü çekilecektir. Bir pilin içindeki metaller, elektrolit adı verilen elektronları iletebilen bir madde ile birbirine bağlanır. Elektrikli araçlar, birbirine bağlı hücrelerden yapılmış piller kullanır. Kullanılan güç sistemleri temel olarak faydalı ömürleri, kimyasal bileşimleri ve ağırlıkları bakımından birbirinden farklıdır. Elektrikli araç aküleri pazarı dinamik bir şekilde değişiyor. Şu anda, lityum iyon piller en popüler türler arasındadır. Üretimleri karmaşıktır ve her aşamada en yüksek kaliteyi gerektirir. En popüler lityum-iyon piller, hücreleri nikel, kobalt veya manganez gibi metallere dayanan pillerdir. Elektrikli araçlar için en yaygın olarak seçilen lityum-iyon pil türleri, lityum-nikel-kobalt-manganez (NMC) pilleri içerir. Lityum-mangan (LMO), lityum-demir-fosfat (LFP) ve lityum-nikel-kobalt-alüminyum (NCA) piller çok daha az ilgi görmektedir.

Pil nasıl yapılır?

Lityum-iyon ve diğer hücrelerin üretimi, karmaşıklığı ve yüksek derecede otomasyonu ile karakterize edilir. Pillerin üretimi türlerine bağlıdır, ancak ana aşamalar ve işlemler benzerdir. Basitçe söylemek gerekirse, tüm üretim süreci üç ana "bloğa" ayrılabilir:

1. Elektrot üretimi

Üretilen pilin formatı ve şekli ne olursa olsun, ilk adım elektrotları yapmaktır. Bu aşamada, farklı malzemeler arasında çapraz kontaminasyondan kaçınmak önemlidir, bu nedenle pratikte katot üretimi için ayrı bir hat ve anot için ayrı bir hat vardır. Anot, grafit kaplı bakır folyodan, katot ise seçilmiş bir metalle kaplanmış alüminyum folyodan üretilir. En önemli üretim aşamaları şunları içerir:

• Tozların (aktif maddeler) bir çözücü ile bir karışımı olan sözde süspansiyonun ve bağlayıcı görevi gören diğer kimyasal maddelerin üretilmesinden oluşan karıştırma.
• Kaplama ve kurutma: Hazır bir süspansiyon, metal bir folyo üzerine uygulandığı kaplama alanına pompalanır. Folyo daha sonra çözücünün buharlaştığı ve aktif maddenin folyoya bağlandığı bir kurutma ocağına gönderilir.
• Perdahlama – kaplanmış ruloları bitirme işlemi. Ruloları folyoya bastırarak malzemenin uygun şekilde sıkıştırılmasını sağlayan ve böylece sabit bir kalınlık ve yoğunluk ve daha iyi bir yapışma sağlayan iki ısıtılmış eleman arasında hareket ederler.
• Kesme – metal folyo, boyutları üretilecek elektrotlara uygun olan birçok küçük parçaya kesen bir bıçak sisteminden geçer.

2. Hücre montajı

Hücrelerin montajı, bozulmaya ve elektrot verimliliğinde önemli bir düşüşe neden olabilecek nem oluşumunu önlemek için kuru bir ortam gerektirir. Bu aşamada elektrotlar kesilerek muhafazalara yerleştirilir. Hücre montajı aşağıdaki adımları kapsar:

• Kesme – kesme işlemi sırasında dikdörtgen elektrotlar üretilir. Kesim mekanik veya lazerle yapılır.
• Düzenleme – bir pil muhafazasında elektrotlar dönüşümlü olarak düzenlenir: anot, ayırıcı, katot. En popüler yol çoraptır.
• Montaj – uygun şekilde düzenlenmiş elektrotlar ana kıskaçlara kaynakla bağlanır ve bağlanır. Bu şekilde üretilen elektrotlu hücre, ambalaj malzemesine yerleştirilir ve elektrolitle doldurulması için açık bir kenar bırakılarak kapatılır.

3. Şekillendirme ve kalite kontrol

Daha sonra monte edilmiş bir pil, koşullandırma aşamasından geçer. Hücre ilk kez şarj edildiğinden ve kalitesini ve verimliliğini kanıtlayacak bir dizi testten geçtiğinden, bu genellikle kritik bir üretim anıdır. Pil oluşturmanın son aşamaları arasında ön şarj, gazdan arındırma ve yüksek sıcaklıkta eskitme yer alır. Bu son aşama bittiğinde cihaz farklı uygulamalarda kullanıma hazır hale gelir. Elektrikli araçlar lityum-iyon pillerle çalışır. Diğer akü türlerine göre tek bir şarjla daha fazla yol kat etme olanağı sağlaması nedeniyle en popüler pil türleri arasındadır. Üretim süreçleri, en yaygın lityum pillerinkine çok benzer. Elektrikli araba akülerinin karakteristik bir özelliği, sözde modülleri oluşturan birkaç lityum-iyon pilin seri bağlantısını oluşturmalarıdır. Bir pilin her modülü, seri olarak bağlanmış birkaç ila ondan fazla hücre içerir. Daha sonra modüller, kalite kontrolünden geçen pil paketleri oluşturmak için birbirine kaynak yapılır.

Pil üretimi için hammaddeler

En popüler enerji depolama sistemleri, lityum iyon pilleri içerir. Bu hücrelerin üretimi karmaşıktır ve her aşamada en yüksek kaliteyi gerektirir. Önemli bir konu, bitmiş pilin pazar talebini ve tüketici gereksinimlerini tam olarak karşılayabileceği üretim için bu tür hammaddelerin seçilmesidir.

metaller

Pil üretimi için en önemli hammaddeler, başta lityum, kadmiyum, nikel, demir, çinko ve manganez olmak üzere metalleri içerir. İkincisi, lityum iyon pilleri üretmek için kullanılan en popüler malzemedir. Pil üretiminde kullanılan diğer elementler, yüksek standart potansiyelleri ve elektrokimyasal eşdeğerleri nedeniyle magnezyum ve alüminyumdur (elektrot olarak). Ek bir avantaj, nispeten düşük fiyatları ve yüksek kullanılabilirlikleridir. Bu, onları çinkodan yapılmış popüler elektrotların ideal bir alternatifi yapar. Bataryalarda kullanılan bir diğer metal ise yüksek enerji yoğunluğuna sahip güvenli hücreler üretilmesini sağlayan gümüştür. Ek olarak, gümüş kullanımı, örneğin kadmiyuma kıyasla daha yüksek pil voltajı elde etmeyi mümkün kılar.

metal oksitler

Pillerdeki elektrotlar (katotlar ve anotlar) yalnızca metallerden yapılmaz. Manganez (IV) oksit veya çinko oksit gibi metal oksitler de kullanılır. Lityum-iyon pillerdeki aktif malzeme genellikle, en yaygın olarak kobalt, manganez, nikel, vanadyum veya demir gibi metallerle birleştirilmiş oksitler biçiminde oluşan lityumdur.

elektrolitler

Elektrolit, elektrotlar arasında serbest elektron akışını sağlayan lityum iyon pillerin temel bileşenidir. Elektrolitler, örneğin amonyum klorür, çinko klorür veya magnezyum perklorat gibi bir veya daha fazla tuz türünün çözülmesiyle üretilen, temel olarak sulu çözeltiler veya organik maddelerdeki çözeltilerdir. Alkalin pillerde elektrolit olarak potasyum hidroksit kullanılır. Vinilen karbonat ayrıca lityum iyon piller için elektrolit üretmek için yaygın olarak seçilir. Dinamik olarak büyüyen pil ve akümülatör sektörü için özellikle önemlidir. Yüksek saflıkta vinilen karbonat (minimum %99,99), her sektör için önde gelen kimyasal ve hammadde üreticilerinden ve tedarikçilerinden biri olan PCC Group’un geniş ürün yelpazesinde mevcuttur.

Grafit

Grafit veya toz karbon, elektrot üretimi için önemli bir hammaddedir. Bazı pillerin yapısı, devreden akan elektronları "toplayan" ve bunları katot boyunca dağıtan grafit çubuklar içerir. Ayrıca grafitin yapısı, elektrokimyasal reaksiyon sırasında üretilen gazların çıkarılmasını kolaylaştırır.

plastikler

Polietilen veya polipropilen gibi plastikler , pil ayırıcı üretiminde uygulanan mükemmel malzemelerdir. Katodu anottan ayırırlar. Plastikler ayrıca piller için kaplama ve mahfaza yapımında da kullanılır.