Как производят литий-ионные аккумуляторы?
Введение
Несмотря на появление многочисленных альтернатив, популярность литий-ионных аккумуляторов остаётся на высоком уровне. Причина тому - цена, эффективность и постоянная модернизация технологии со стороны неутомимых учёных. Принцип работы такого аккумулятора не является большой тайной (можно почитать об этом здесь), а вот сам процесс изготовления зачастую скрыт от посторонних глаз. Что же там, за кулисами высоких технологий?
Производство литий-ионных аккумуляторов можно разделить на 3 этапа: создание электродов, сборка и тестирование. Этот порядок не зависит от формы аккумулятора (отличаться будут лишь детали). Каждый этап состоит из нескольких шагов, и даже единичная ошибка может стоить будущему аккумулятору качества.
Этап 1: Создание электродов
Шаг 1.1.
Чтобы из медной фольги получился анод, а из алюминиевой - катод, на них необходимо нанести специальную суспензию. Она готовится из активных материалов, которые доставляются на фабрики в виде порошка. Для создания качественного покрытия, активное вещество (обычно оксид лития для катода или графит для анода) смешивают с: а) растворителем, б) связующим веществом, в) другими добавками, согласно рецептуре. Стоит ли говорить, что дозировка активных и вспомогательных веществ напрямую влияет на свойства будущего аккумулятора?
Помимо этого, эмульсии для катода и анода готовятся отдельно друг от друга - на разных линиях или в разных помещениях, чтобы не загрязнять смеси. С этой же целью важно следить за качеством воздуха - чтобы никакой пыли и лишних примесей!
Шаг. 1.2. Покрытие и сушка
Для этого шага используется специальное устройство для нанесения покрытий. На крупных предприятиях (гигафабриках) используют полностью автоматизированное оборудование, весь процесс напоминает печать или штамповку: фольга движется по линии и проходит через специальные головки (которые наносит суспензию с двух сторон, оставляя пустые места по краям), далее может быть 2 варианта:
1) Электроды с покрытием отправляются в длинную печь (до 80 метров), где проходят через постепенную сушку.
2) Электроды отправляются дальше по линии, и на них с помощью специального оборудования сверху и снизу подаётся горячий воздух. Этот метод называется воздушная флотация, он позволяет сушить электроды равномерно и с нужной скоростью, без загибания их краёв.
Во время сушки находящийся в составе растворитель выпаривается, закрепляя материал на фольге. Любые дефекты на этом этапе могут ухудшить электрохимические свойства аккумулятора и снизить его безопасность. Поэтому такие вещи как: толщина фольги, скорость её прокатки и степень натяжения должны быть чётко выверены. Например, лидирующий производитель аккумуляторов из Китая - компания CATL, использует медную фольгу толщиной 6 мкм, длиной 4 км и скоростью прокатки 80 м/мин.
Шаг 1.3. Каландрирование
Чтоб уж наверняка снизить риски дефектов и обеспечить одинаковую толщину и плотность покрытия, электроды пропускаются между двумя нагретыми роликами. Этот процесс называется каландрирование - от него зависит производительность ячейки. Чем сильнее давление пресса, тем сильнее сцепление материала с фольгой, тоньше активный слой и больше объёмная плотность энергии.
Шаг 1.4 Резка
Наконец, главные составляющие (почти) готовы! Перед сборкой аккумулятора пластинки электродов отправляются на продольно-резательные станки, где превращаются в тонкие полосочки (конкретные параметры зависят от размера и формы аккумулятора). Дальше их сматывают в рулоны и отправляют в вакуумную печь - чтобы удалить остаточную влагу.
Этап 2: Сборка
Шаг. 2.1 Укладка
Самое важное в сборке - отсутствие влаги и точность. Поэтому из печи готовые электроды отправляются в сухую комнату, где, в зависимости от своего формата, они проходят через 2 этапа:
1) Механическую или лазерную резку (окончательную)
и
2) Намотку (для цилиндрических и призматических аккумуляторов) или штабелирование (укладка слоями - для пакетных аккумуляторов). Методы сборки могут отличаться, но порядок стандартный: анод, сепаратор, катод.
Шаг 2.2 Сварка
Сердце аккумулятора необходимо соединить с клеммами или выводами ячейки, а также защитной платой (если она предусмотрена). Все части соединяются с помощью ультразвуковой или лазерной сварки, и готовая конструкция вставляется в корпус аккумулятора. Корпус герметизируют, оставляя отверстие для заливки электролита.
На этапе добавления электролита (с помощью высокоточной дозирующей иглы) в помещении тоже должно быть сухо, т.к. влага вызывает разложение электролита с выделением ядовитых газов. После этого аккумулятор проходит окончательную вакуумную герметизацию и маркируется необходимыми данными (номер партии, серийный номер, производитель и т.д.)
Этап 3: Тестирование
И вот мы подошли к последнему (но не по важности!) этапу. От него зависит, пойдут ли аккумуляторы в продажу. Конкретные методы тестирования зависят от производителя, но можно выделить основные:
1) Фаза формирования. Это проверка характеристик аккумулятора путём первых зарядок-разрядок. Именно на этом этапе внутри аккумулятора формируется загадочный SEI - поверхностный пассивирующий слой, защищающий от саморазряда и продлевающий срок службы аккумулятора.
Он возникает на аноде в течение первых циклов заряда-разряда, когда ионы лития внедряются в кристаллическую решётку графита, создавая защитную плёнку между электролитом и электродом (анодом).
2) Дегазация. Касается больших пакетных аккумуляторов. Во время первой зарядки выделяется много газа, который удаляют из ячейки. А корпус окончательно герметизируют.
3) Старение. По сути это продолжительный замер напряжения аккумулятора под действием высокой или нормальной температуры. Ячейки подвергаются “старению” в течение примерно 3-х недель, всё это время они находятся под контролем автоматизированной установки, напоминающей склад со стеллажами. Если за всё время показатели аккумулятора сильно не меняются, он считается пригодным.
Дальше могут быть другие испытания либо сборка аккумуляторов в батареи/упаковка/отправка конечному пользователю.
Итоги
Если описывать производство аккумуляторов тремя словами, то получится: интересно, сложно и дорого. И это мы ещё не касались темы добычи и обработки полезных ископаемых, лабораторных исследований, разработки электродов и других вещей, без которых существование аккумуляторов было бы невозможно. Отдельная тема - это современное оборудование, позволяющее сделать процесс не только точным, но и завораживающим. Конечно, высокие технологии и внедрение автоматизированных линий оказывают непосредственное влияние и на качество, и на рынок. В этом плане лидерами по-прежнему остаются азиатские страны: Китай, Южная Корея, Япония, которые активно развивают производства, технологии и логистику, открывая заводы по всему миру.
С 2025 года Россия планирует вступить в эту гонку, открыв первую в стране гигафабрику по производству литий-ионных аккумуляторов для электромоблей в Калининградской области. Учитывая растущий мировой спрос на аккумуляторы и электротранспорт, такое предприятие более, чем актуально, и следить за развитием отечественной аккумуляторной промышленности будет, как минимум, интересно. В любом случае, у нас уже есть прекрасные примеры успешных предприятий (тот же CATL), на которые можно равняться.