Литиевые аккумуляторы: от сырья до готовых химических источников тока

Введение

В Li-ion-элементах ионы лития связаны молекулами других материалов. В настоящее время самыми популярными материалами для создания данных аккумуляторов являются графит (рис. 1) и литий кобальт оксид (LiCoO₂). Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. Параметры литий-полимерных аккумуляторов (Li-pol) сравнимы с характеристиками литий-ионных источников тока. Благодаря отсутствию жидкого электролита они безопаснее в использовании, компактны и могут быть выполнены в любой конфигурации. Сегодня большая часть литий-ионных аккумуляторов коммерческого назначения на самом деле представляет собой литий-полимерные аккумуляторы с гелиевым электролитом.

Рис. 1. Графитовый порошок

Современные Li-ion-аккумуляторы обладают следующими характеристиками:

• плотность — 150-200 Вт·ч/кг или 350-450 Вт·ч/л;
• рабочее напряжение — 3,6-3,7 В;
• диапазон рабочих температур — от -20 до +50 °C. Рабочий ресурс до потери 20% емкости составляет 500-1000 рабочих циклов заряд/разряд.

Процесс производства Li-ion-аккумуляторов (рис. 2) 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. Вот почему аноды и катоды обычно производят в разных помещениях. Материалы измельчают, чтобы достичь максимальной площади поверхности электродов, что увеличивает ток ячейки.

Рис. 2. Структура Li-ion-аккумулятора

Рассмотрим последовательность изготовления цилиндрических Li-ion-аккумуляторов на оборудовании американской фирмы MTI corporation, которая уже давно зарекомендовала себя на мировом рынке как надежный производитель и поставщик наноматериалов и оборудования.

Процесс обработки сырья и покрытие электродов

Сначала в трубчатую печь OTF-1200X-4-R (рис. 3) помещают активное вещество (сырье), где оно спекается, температура может достигать 1200 °C, затем происходит размалывание спеченного материала низкошумовой шаровой мельницей MSK-SFM-1 (рис. 4), способной размельчать различные материалы сухим и мокрым методами. Максимальное увеличение площади электродов и, соответственно, повышение тока ячейки достигается путем измельчения материала. Следующий этап — смешивание под вакуумом до образования суспензии — выполняется с помощью вакуумных миксеров MSK SFM-6 или более крупной модели MSK SFM-7 (рис. 5), способных достичь наилучшей дисперсии и однородности суспензии без образования пузырьков газа. Затем ракельной установкой MSK-AFA-E300 (рис. 6) полученную суспензию слоями наносят на токоприемник, после чего пленка подвергается термической обработке в печи, так как вещество должно иметь не только определенный химический состав, но и влажность. Далее рулон помещается в электронный прецизионный пресс прокатки MSK-HRP-01 (рис. 7), который уплотняет состав, нанесенный на фольгу. Это делается для того, чтобы до желаемых параметров уменьшить толщину электродов, а значит, и объем всего аккумулятора.

Рис. 3. Трубчатая печь OTF-1200X-4-R

Рис. 4. Шаровая мельница MSK-SFM-1

Рис. 5. Вакуумный миксер MSK SFM-7

Рис. 6. Установка нанесения покрытия с подмоткой «ролик-ролик» MSK-AFA-E300

Рис. 7. Электронный прецизионный пресс прокатки MSK-HRP-01

На многих заводах используют полностью автоматизированную сборку, но все еще много небольших производств, где применяется ручной метод сборки.

Придание формы и подготовка к сборке

Специальной полуавтоматической установкой резки MSK-CSE-300 (рис. 8) полученные заготовки разрезают на полосы нужных размеров, в зависимости от параметров электрода. Полосы электродов необходимо просушить, для чего используется вакуумная печь серии EQ-DZF-6050 (рис. 9), рабочая температура которой достигает +250 °C. Следует отметить, что любые неровности в нарезке могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейке, поэтому процесс нарезки ведется на высокоточных машинах, требующих профессионального обслуживания. На следующем этапе ультразвуковым сварочным аппаратом типа MSK-800 (рис. 10) многослойные электроды соединяются с токосъемниками. Обмоточная установка MSK-112A-Cylinder (рис. 11) позволяет придать форму аккумулятора аноду и катоду. Далее проходит тест на короткое замыкание и сохранность, потом для удаления имеющейся влаги аккумулятор помещают в вакуумную печь.

Рис. 8. Полуавтоматическая установка резки MSK-CSE-300

Рис. 9. Вакуумная печь EQ-DZF-6050

Рис. 10. Ультразвуковой сварочный аппарат MSK-800

Рис. 11. Обмоточная установка MSK-112A-Cylinder

Сборка аккумулятора

Сборка аккумулятора пока невозможна без применения ручного труда. Но она грамотно организована: везде, где только возможно, применяется специальное оборудование и конвейеры.

Точечным сварочным аппаратом MSK-330A (рис. 12) приваривается отрицательная клемма, затем пазовальной установкой MSK-500 (рис. 13) вокруг создается углубление, что в дальнейшем позволяет установить крышку аккумулятора. В перчаточном боксе EQ-VGB-6 (рис. 14) в корпус производят инъекцию электролита дозатором BD-10ML (рис. 15). В бокс закачан инертный газ для того, чтобы в аккумулятор не попал кислород, который может служить окислителем и тем самым быстро вывести аккумулятор из строя. Там же происходит центровка крышки с последующей герметизацией устройством опрессовки MSK-510 (рис. 16). 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 (рис. 17) он должен пройти как минимум один контрольный заряд/разряд для активации рабочих материалов, преобразующий их в рабочее состояние.

Рис. 12. Точечный сварочный аппарат MSK-330A

Рис. 13. Пазовальная установка MSK-500

Рис. 14. Перчаточный бокс EQ-VGB-6

Рис. 15. Дозатор BD-10ML

Рис. 16. Установка опрессовки MSK-510

Рис. 17. Анализатор аккумуляторов BST8-3

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, поскольку способны привести к повреждению сепаратора, вследствие чего в ячейке возникают короткие замыкания.

Наряду с контрольно-измерительной аппаратурой на самом производстве необходимо иметь лабораторию для проведения полного анализа используемых материалов, а также для тестирования на отказ. 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.

Известно, что литий-ионные аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, но сейчас появились литий-полимерные аккумуляторы (на базе литий-ионных), в которых этот эффект памяти отсутствует.

Преимущества Li-ion-аккумуляторов:

• Высокая энергетическая плотность (емкость).
• Низкий саморазряд.
• Не требуют обслуживания.

Под воздействием заряда Li-ion-аккумуляторы снижают емкость в зависимости от температурного режима. Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Оптимальные условия хранения этих аккумуляторов достигаются при 40%-ном заряде от емкости аккумулятора и температуре 0…+10 °C.

Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через два года батарея теряет около 20% емкости. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса. При покупке обязательно посмотрите на дату изготовления, чтобы знать, сколько времени данный источник питания уже пролежал на складе. В случае если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки.

Заключение

С первого взгляда может показаться, что процесс изготовления литиевых аккумуляторов достаточно сложный и трудоемкий, но это не так. Благодаря новейшим технологическим разработкам большинство высокоточных операций выполняют машины. Для изготовления аккумуляторов не обязательно наличие огромных производственных площадей и специализированных условий. Благодаря компактности оборудования весь процесс может быть ограничен лабораторией, а ориентировочная стоимость необходимого комплекта технологического оборудования составит примерно от $100 000 до $350 000, в зависимости от требуемой производительности.