Производство батарей

Процесс производства литиевых батарей очень похож на тот, что используется при производстве никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных батарей с некоторыми ключевыми отличиями, вызванными гораздо большей активностью химических веществ, используемых при производстве литиевых ячеек.

Покрытие электродов

Аноды и катоды литиевых ячеек имеют одинаковую форму и производятся в одинаковых условиях на одинаковом оборудовании. Активный материал электрода покрыт с обеих сторон металлической фольгой, которая играет роль проводника тока в ячейку и из неё. Анодный материал представляет собой углерод, а катодный является оксидом лития. Оба эти материала поставляются на фабрику в виде чёрного порошка и для нетренированного глаза они неразличимы друг от друга. Из-за того, что соединение анодных и катодных материалов разрушает батарею, требуется большая осторожность, чтобы эти материалы не вошли в контакт друг с другом. По этой причине аноды и катоды обычно производятся в разных помещениях.

Размер электродов должен позволять достигнуть минимальных издержек и максимальной эффективности рабочей зоны электрода для получения больших токов ячеек. Форма так же имеет очень важное значение. Предпочтительнее сферические формы с закруглёнными углами, поскольку острые углы или выступающие поверхности подвергаются большему электрическому стрессу и разложению пассивирующего слоя, что приводит к росту нагрева и возможному температурному перегреву, когда ячейка будет находиться под нагрузкой.

Металлическая фольга для электродов доставляется в больших рулонах, обычно 500 мм шириной, с медью для анода и алюминием для катода, и эти рулоны устанавливаются прямо на покрывающую машину, которая разворачивает их с помощью валиков.

Процесс покрытия показан на диаграмме ниже.

Первый этап состоит в смешивании электродных материалов с проводящей связкой для формирования жидкой смеси, которая вытягивается в поверхность электродов, когда проходит через машину. Режущий нож расположен над фольгой толщина покрытия регулируется установкой зазора между ножом и фольгой. Не является необычным для массового или объёмного источника энергии то, что материалы анода и катода различны, но толщина покрывающего слоя должна быть таковой, чтобы хранение энергии на единицу поверхности анода или катода было одинаковым.

От покрывающей машины покрытая фольга направляется в печь длительной сушки для запекания электродного материала на фольге. После выхода из этой машины фольга повторно пропускается через ролики.

Покрытая фольга позже поступает в режущую машину для превращения фольги в узкие полоски, пригодные для различных размеров электродов. Позже они будут разрезаны по длине. Все заусенцы на углах полосок могут привести ко внутреннему замыканию ячеек, поэтому режущая машина должна быть очень точной и хорошо обслуживаться.

Сборка ячеек

На лучших фабриках сборка ячеек обычно проводится высокоавтоматизированным оборудованием, но в настоящее время всё ещё существует множество мелких производителей, которые используют ручные методы сборки.

Первая стадия сборки состоит в установке сепаратора между анодом и катодом. Две основных формы электродов используются в зависимости от типа собираемой батареи: плоские для призматических ячеек и спиральные для цилиндрических ячеек.

Смотрите так же конструкции ячеек для детального описания плоских и круглых ячеек.

Процесс сборки для призматических и цилиндрических ячеек показан на следующей диаграмме.

• Призматические ячейки

  Призматические ячейки часто используются для батарей высокой ёмкости и оптимизированы для наилучшего использования пространства. Эта конструкция использует плоские электроды, в которых анодные и катодные пластины разрезаны на отдельные полоски, которые отделяются друг от друга сепараторами. Сепаратор может быть такого же размера, как и электроды, но чаще она имеет больший размер и укладывается зигзагом между противоположными пластинами в пачке.

  В то время, как такая конструкция оптимизирована для использования пространства в комплекте, она обладает следующим недостатком - требуется механизм, чтобы соединить все аноды вместе и присоединить к одному электроду, и аналогичный механизм для катодов. Всё это увеличивает сложность трудозатраты сборки и её общую стоимость.

  Некоторые призматические ячейки собираются упрощённым методом соединения электродов с помощью плоского пробойника (смотрите ниже).

• Цилиндрические ячейки

  Для цилиндрических ячеек анодная и катодная фольга отрезаются одинакового размера и сворачиваются в цилиндр вместе с сепаратором, чтобы предотвратить их соприкосновение. Цилиндрические ячейки по этой причине имеют только две электродные пластины, что упрощает сборку. К выводным зажимам требуется только одно присоединение, хотя высокомощные ячейки могут иметь несколько присоединений по углам электрода для проведения больших значений токов.

Следующим этапом является присоединение электродов к клеммам и установка этой сборки в корпус. Корпус затем герметизируется лазерным лучом или тепловой пушкой в зависимости от его материала, оставляя отверстие для заливки электролита в него.

Следующий этам состоит в наполнении ячейки электролитом и герметизации. Этот процесс должен быть проведён в сухом помещении, потому что электролит реагирует с водой. Влажность приведёт к разложению электролита и образованию токсических газов. Литийфосфорофторид (LiPF6), например, один из самых популярных электролитических материалов, образует с водой токсичной плавиковой кислоты.

В конце на ячеку наносится идентификация наклеиванием или печатью номера партии или серийного номера на упаковку.

Формовка (формирование)

Когда ячейка собрана, она обязательно должна пройти через по крайней мере один точно контролируемый цикл для активации рабочих материалов и преобразования их в полезную форму. Вместо нормального постоянного зарядного тока - зарядки при постоянном напряжении, этот зарядный процесс начинается с низкого напряжения, которое затем нарастает. Это называется процессом формовки. Для большинства литиевых элементов это вызывает образование твёрдой электролитической плёнки на аноде. Это пассивирующий слой, который позволяет стабилизировать зарядный процесс при нормальном использовании.

Во время формовки данные о параметрах ячейки, её ёмкости и внутреннем сопротивлении записываются для анализа качества ячеек и последующего отслеживания в случае выхода из строя партий. Рост производительности так же показывает, что процесс находится под контролем (опасайтесь производителей, которые используют этот процесс для сортировки ячеек в различне группы ёмкости для продажи по различным ценам).

Несмотря на то, что это не является основной целью формовки, процесс позволяет определить процент ранних отказов из-за производственных дефектов, называемых «ранней смертью» для защиты производителя от претензий потребителей.

Контроль процесса

Узкое пространство допусков и высокие требования контроля являются обязательными при производстве. Загрязнение, физическое повреждение и заусенцы электродов чрезвычайно повышают опасность выхода из строя, поскольку могут повредить сепаратор, что приведёт к увеличению токов коротких замыканий в ячейке, но в настоящее время не существует методов для предотвращения или контроля этих процессов.

Техническая поддержка

Чистота особенно важна для нормальной сборки ячеек, поэтому доступ в них контролируется и производится через воздушные души.

Отдельно от лаборатории тестирования ячеек, производители должны иметь лабораторию, позволяющую проводить полный анализ материалов, используемых для производства ячеек и отслеживать выходы из строя. Список ниже показывает основное оборудование для этих целей.

• Сканирующий электронный микроскоп для изучения физической структуры

  материалов

• Массовый спектрометр для анализа химического состава материалов

• Калориметры для тестирования температурных свойств материалов и

  ячеек

• Программируемое оборудование для проведения зарядных/разрядных

  циклов для испытаний ячеек и проверки их срока службы.

• Специальные помещения и вибрационные столы для исследования

  производительности ячеек во время нормальных условий их эусплуатации

• Оборудование для механического воздействия

Смотрите так же новые конструкции ячеек и электролиты