Як виготовляються акумулятори?

Будова і принцип дії акумуляторів

Батареї виробляють електричну енергію завдяки хімічній реакції, що відбувається всередині клітини. Ключем до здійснення цієї реакції є рух електронів. Електрони — це негативно заряджені частинки, які під час руху виробляють електрику. Цей потік можливий за допомогою двох різних металів, які діють як провідники. З’єднання металів разом ініціює рух електронів між ними, що спричинено притягуванням електронів металами, які називаються катодом і анодом. Електрони завжди сильніше притягуватимуться катодом. Метали всередині батареї з’єднані речовиною, здатною проводити електрони, яка називається електролітом. Електромобілі використовують батареї, побудовані із з’єднаних елементів. Системи живлення, що використовуються, відрізняються один від одного головним чином терміном служби, хімічним складом і вагою. Ринок акумуляторів для електромобілів динамічно змінюється. В даний час літій-іонні батареї є одними з найпопулярніших типів. Їх виробництво складне і вимагає найвищої якості на кожному етапі. Найпопулярнішими літій-іонними акумуляторами є ті, елементи яких виготовлені на основі таких металів, як нікель, кобальт або марганець. Типи літій-іонних акумуляторів, які найчастіше обирають для електромобілів, включають літій-нікель-кобальт-марганцеві (NMC) акумулятори. Значно менший інтерес викликають літій-марганцеві (LMO), літій-залізо-фосфатні (LFP) і літій-нікель-кобальт-алюмінієві (NCA) батареї.

Як виготовляється акумулятор?

Виробництво літій-іонних та інших елементів характеризується складністю та високим ступенем автоматизації. Виробництво акумуляторів залежить від їх типу, але основні етапи і процеси схожі. Простіше кажучи, весь виробничий процес можна розділити на три основні «блоки»:

1. Електродне виробництво

Незалежно від формату та форми батареї, що виготовляється, першим кроком є ​​виготовлення електродів. На цьому етапі важливо уникнути перехресного забруднення між різними матеріалами, тому на практиці існує окрема лінія для виробництва катода та окрема лінія для анода. Анод виготовляється з мідної фольги, покритої графітом, тоді як катод виготовляється з алюмінієвої фольги, покритої обраним металом. Найважливіші етапи виробництва включають:

• Змішування, яке полягає в утворенні так званої суспензії, яка являє собою суміш порошків (діючих речовин) з розчинником та іншими хімічними речовинами, що виконують роль зв’язуючих.
• Покриття та сушка: готова суспензія закачується в зону нанесення покриття, де наноситься на металеву фольгу. Потім фольгу відправляють у сушильну піч, де розчинник випаровується і активна речовина приєднується до фольги.
• Каландрування – процес обробки покритих валків. Вони рухаються між двома нагрітими елементами, які забезпечують відповідне стиснення матеріалу, притискаючи рулони до фольги, таким чином зберігаючи стабільну товщину і щільність і кращу адгезію.
• Різання – металева фольга проходить через систему ножів, які розрізають її на багато менших частин, розміри яких відповідають електродам, які будуть виготовлені.

2. Складання клітини

Збірка комірок вимагає сухого середовища, щоб запобігти утворенню вологи, яка може спричинити деградацію та значне зниження ефективності електрода. На цьому етапі електроди розрізають і поміщають в кожухи. Збірка клітини складається з наступних етапів:

• Різання – в процесі різання виробляються прямокутні електроди. Порізка виконується механічним способом або лазером.
• Розташування – в корпусі батареї по черзі розташовані електроди: анод, сепаратор, катод. Найпопулярніший спосіб – панчішний.
• Збірка – відповідним чином розташовані електроди з’єднуються та прикріплюються до основних затискачів зварюванням. Виготовлену таким чином комірку з електродами поміщають в пакувальний матеріал і запаюють, залишаючи відкритий край для заповнення електролітом.

3. Формування та контроль якості

Потім зібрана батарея проходить етап кондиціювання. Це часто критичний момент виробництва, оскільки елемент заряджається вперше та проходить низку тестів, які мають підтвердити його якість та ефективність. Останні етапи формування акумулятора включають попередню зарядку, дегазацію та старіння при високій температурі. Після завершення останнього етапу пристрій готовий до використання в різних програмах. Електромобілі працюють від літій-іонних акумуляторів. Вони належать до найпопулярніших типів акумуляторів, головним чином завдяки тому, що вони дозволяють проїхати більше миль на одному заряді порівняно з іншими типами акумуляторів. Процес їх виробництва дуже схожий на процес виготовлення найпоширеніших літієвих батарей. Характерною особливістю акумуляторів електромобілів є те, що вони являють собою послідовне з’єднання декількох літій-іонних елементів, які утворюють так звані модулі. Кожен модуль батареї містить від декількох до більше десяти елементів, з’єднаних послідовно. Потім модулі зварюються між собою, утворюючи акумуляторні блоки, які проходять контроль якості.

Сировина для виробництва акумуляторів

До найпопулярніших систем накопичення енергії відносяться літій-іонні акумулятори. Виробництво цих клітин є складним і вимагає високої якості на кожному етапі. Важливим питанням є вибір такої сировини для виробництва, щоб готовий акумулятор міг повністю задовольнити потреби ринку та вимоги споживачів.

метали

Найважливішою сировиною для виробництва акумуляторів є метали, в основному літій, кадмій, нікель, залізо, цинк і марганець. Останній є найпопулярнішим матеріалом для виробництва літій-іонних акумуляторів. Іншими елементами, які використовуються для виробництва акумуляторів, є магній і алюміній (як електроди), завдяки їх високому стандартному потенціалу та електрохімічному еквіваленту. Додатковою перевагою є їх відносно низька ціна і висока доступність. Це робить їх ідеальною заміною популярним електродам з цинку. Іншим металом, який використовується в батареях, є срібло, яке дозволяє виробляти безпечні елементи з високою щільністю енергії. Крім того, використання срібла дозволяє досягти вищої напруги акумулятора, ніж, наприклад, кадмій.

Оксиди металів

Електроди в акумуляторах (катоди й аноди) виготовляються не тільки з металів. Використовують також оксиди металів, такі як оксид марганцю (IV) або оксид цинку. Активним матеріалом у літій-іонних батареях зазвичай є літій, який найчастіше зустрічається у формі оксидів у поєднанні з такими металами, як кобальт, марганець, нікель, ванадій або залізо.

Електроліти

Електроліт є ключовим компонентом літій-іонних акумуляторів, який забезпечує вільний потік електронів між електродами. Електроліти – це головним чином водні розчини або розчини в органічних речовинах, які утворюються шляхом розчинення одного або кількох типів солей, наприклад хлориду амонію, хлориду цинку або перхлорату магнію. У лужних акумуляторах як електроліт використовується гідроксид калію . Вініленкарбонат також зазвичай вибирають для виробництва електролітів для літій-іонних батарей. Це особливо важливо для динамічно зростаючого сектора батарей і акумуляторів. Вініленкарбонат високої чистоти (мінімум 99,99%) доступний у широкому асортименті продукції PCC Group , яка є одним із провідних виробників і постачальників хімічних речовин і сировини для будь-якої галузі.

Графіт

Графіт або порошкоподібний вуглець є основною сировиною для виробництва електродів. До складу деяких батарей входять графітові стрижні, які «збирають» електрони, що надходять із контуру, і розподіляють їх по катоду. Крім того, структура графіту полегшує вилучення газів, що утворюються під час електрохімічної реакції.

пластмаси

Пластмаси , такі як поліетилен або поліпропілен , є чудовими матеріалами, які застосовуються у виробництві акумуляторних сепараторів. Вони відокремлюють катод від анода. Пластмаси також використовуються для виготовлення покриттів і корпусів для батарей.