Литиевые аккумуляторы:
от сырья, до готовых химических источников тока
www.est-nano.ru
Литий-ионный аккумулятор - самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили, цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Литий - наиболее химически активный металл, он является самым легким металлом, в то же время он обладает сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией.
В литий-ионных элементах ионы лития связаны молекулами других материалов. Наиболее популярными материалами для создания данных аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда, Li-ion аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol) сравнимы с характеристиками литий-ионных аккумуляторов. Благодаря отсутствию жидкого электролита они более безопасны в использовании, компактны и могут быть выполнены в любой конфигурации. В настоящее время большая часть литий-ионных аккумуляторов коммерческого назначения на самом деле представляет собой литий-полимерные аккумуляторы с гелиевым электролитом.
Современные Li-Ion аккумуляторы обладают следующими характеристиками: плотность – 150-200 Втч/кг или 350-450 Втч/л, рабочее напряжение 3,6-3,7 В и диапазон рабочих температур от -20 до +50◦С. Рабочий ресурс до потери 20% ёмкости составляет 500-1000 рабочих циклов заряд/разряд.
Процесс производства литиевых аккумуляторов, связан с высокой активностью химикатов используемых в литиевых ячейках, аноды и катоды в них имеют похожие формы и изготавливаются схожими процессами на том же оборудовании. Эти материалы не должны быть смешаны, иначе они могут разрушить батарею. По этой причине аноды и катоды обычно производят в разных помещениях. Материалы измельчают, чтобы достичь максимальной площади поверхности электродов, что увеличивает ток ячейки.
Рассмотрим последовательность изготовления цилиндрических Li-Ion аккумуляторов оборудованием американской фирмы “MTIcorporation”, которая уже давно зарекомендовала себя на мировом рынке как надёжный производитель и поставщик нано материалов и оборудования.
Шаг 1: Процесс обработки сырья и покрытие электродов
Сначала в трубчатую печь OTF-1200X-4-R помещают активное вещество (сырьё), где оно спекается, температура может достигать 1200оС, затем происходит размалывание спеченного материала низко шумовой шаровой мельницей MSK- FM-1, способной размельчать различные материалы сухим и мокрым методами.
Максимальное увеличение площади электродов и, соответственно, повышение тока ячейки, достигается путем измельчения материала. Следующий этап - это смешивание под вакуумом до образования суспензии с помощью вакуумных миксеров MSKSFM-6 или более крупной модели MSKSFM-7, способных достичь наилучшей дисперсии и однородности суспензии без образования пузырьков газа.
Затем ракельной установкой MSK-AFA-E300, полученную суспензию слоями наносят на токоприёмник, после чего плёнка подвергается термической обработке в печи, так как оно должно иметь не только определённый химический состав, но и влажность. Далее рулон помещается в электронный прецизионный пресс прокатки MSK-HRP-01. На лучших заводах используют полностью автоматизированную сборку, но все еще много небольших производств, где используют ручной метод сборки.
Шаг 2: Придание формы и подготовка к сборке
Специальной полуавтоматической установкой резки MSK-CSE-300 , полученные заготовки разрезают на полосы, требуемых размеров, в зависимости от параметров электрода. Полосы электродов необходимо просушить, для чего используется вакуумная печь серии EQ-DZF-6050 , рабочая температура которой, достигает 250оС. Стоит отметить, что любые неровности в нарезке могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейке, поэтому такие машины высокоточные и требуют профессионального обслуживания. Следующий этап: ультразвуковым сварочным аппаратом типа MSK-800, многослойные электроды соединяются с токосъёмниками. Обмоточная установка MSK-112A-Cylinder, позволяет аноду и катоду придать форму аккумулятора. Далее, проходит тест на короткое замыкание и сохранность, и для удаления имеющейся влаги аккумулятор помещают в вакуумную печь.
Шаг 3: Сборка аккумулятора пока невозможна без применения ручного труда. Но она грамотно организована: везде, где только возможно, применяется специальное оборудование и конвейера.
Точечным сварочным аппаратом MSK-330A приваривается отрицательная клемма, затем пазовальным станком MSK-500 вокруг создаётся углубление, что в дальнейшем позволяет установить крышку аккумулятора.
В перчаточном боксе EQ-VGB-6 в корпус производят инъекцию электролита дозатором BD-10ML. В бокс закачан инертный газ, для того, чтобы в аккумулятор не попал кислород, который может служить окислителем и тем самым вывести аккумулятор из строя в короткое время .
Там же происходит центровка крышки, с последующей герметизацией устройством опрессовки MSK-510. Это выполняется в сухих условиях, так как электролит реагирует с водой. Вода приводит к разложению электролита и образованию токсичных газов. Далее следует обернуть готовый аккумулятор термоусадочным ПВХ для изоляции положительной и отрицательной клемм. Когда аккумулятор собран – с помощью анализатора BST8-3 он должен пройти как минимум один контрольный заряд/разряд для активации рабочих материалов, преобразующий их в рабочее состояние
Шаг 4: Контроль качества
Последний этап – это проведение испытания на производительность аккумулятора и измерение внутреннего сопротивления.
На протяжении всего производственного процесса необходимы жесткие допуски и строгий контроль. Загрязнения и физические повреждения на электродах особенно опасны, так как они могут привести к повреждению сепаратора, вследствие чего возникают короткие замыкания в ячейке. Наряду с контрольно-измерительной аппаратурой на самом производстве, производитель должен иметь лабораторию для полного анализа используемых материалов, а также проводить анализ отказов.
Ниже приведен список некоторого оборудования:
· Оборудование для тестирования циклов заряд/разряд и проверки срока эксплуатации.
· Климатические камеры и вибрационные столы для исследования производительности аккумуляторов при ожидаемых условиях эксплуатации.
· Оборудование для механического стресс-теста.
Преимущества Li-Ion аккумуляторов:
Высокая энергетическая плотность (ёмкость).
Низкий саморазряд.
Отсутствует эфект "памяти"
Не требуют обслуживания.
Под воздействием заряда Li-ion аккумуляторы могут снижать ёмкость в зависимости от температурного режима. Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Оптимальные условия хранения этих аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0-10 градусов.
Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 20 % ёмкости. Соответственно, нет необходимости чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса. При покупке обязательно посмотрите на дату производства, чтобы знать, сколько данный источник питания уже пролежал на складе. В случае, если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки.
С первого взгляда может показаться, что процесс изготовления литиевых аккумуляторов достаточно сложный и трудоёмкий, но это не так. Благодаря новейшим технологическим разработкам, большую часть высокоточной работы выполняют машины. Для изготовления аккумуляторов не является обязательными наличия огромных производственных площадей и специализированных условий. Благодаря компактности оборудования, весь процесс может быть ограничен лабораторией, а ориентировочная стоимость необходимого комплекта технологического оборудования, составит порядка от 100 до 350 тысяч долларов США в зависимости от требуемой производительности.
