Литиевые аккумуляторы:

от сырья, до готовых химических источников тока


  Литий-ионный аккумулятор - самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоныноутбукиэлектромобилицифровые 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 (рис.1)помещают активное вещество (сырьё), где оно спекается, температура может достигать 1200оС, затем происходит размалывание спеченного материала низко шумовой шаровой мельницей MSK- FM-1 (рис.2), способной размельчать различные материалы сухим и мокрым методами.                                                                                                                                                                                                                                                                                  
           Рисунок 1 - Трубчатая печь OTF-1200X-4-R           Рисунок 2 - Шаровая мельница MSK-SFM-1

 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 (рис.3), способных достичь наилучшей дисперсии и однородности суспензии без образования пузырьков газа. 

                                

                                           Рисунок 3 - Вакуумный миксер MSK-SFM-7 и MSK-SFM-6

 

     Затем ракельной установкой MSK-AFA-E300 (рис.4), 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.

 

                                  

 

      Рисунок 4 - Ракельная установка MSK-AFA-E300;  Рисунок 5 - Прецизионный пресс MSK-HRP-01 

 

 - Шаг 2: Придание формы и подготовка к сборке

Специальной полуавтоматической установкой резки MSK-CSE-300 (рис.6), 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 (рис.7), 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 (рис.8), многослойные электроды соединяются с токосъёмниками. Обмоточная установка MSK-112A-Cylinder (рис.9), 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.

         

Рисунок 6 - Установка резки MSK-CSE-300; Рисунок 7 - Вакуумная печь EQ-DZF-6050;
Рисунок 8 - Ультразвуковой сварочный аппарат MSK-800

                                 
Рисунок 9 - Обмоточная установка MSK-112A-Cylinder

 

- 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 (рис.10)приваривается отрицательная клемма, затем пазовальным станком MSK-500 (рис.11) вокруг создаётся углубление, что в дальнейшем позволяет установить крышку аккумулятора.  

                          

Рисунок 10 - Точечный сварочный аппарат MSK-330A;   Рисунок 11 - Пазовальный станок MSK-500;

   В перчаточном боксе EQ-VGB-6 (рис.12) в корпус производят инъекцию электролита дозатором BD-10ML (рис.13). 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  .

                               

Рисунок 12 - Перчаточный бокс EQ-VGB-6; Рисунок 13 - Дозатор BD-10ML;

Там же происходит центровка крышки, с последующей герметизацией устройством опрессовки  MSK-510 (рис.14). 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.15) он должен пройти как минимум один контрольный заряд/разряд для активации рабочих материалов, преобразующий их в рабочее состояние

         

Рисунок 14 - Устройство опрессовки MSK-510; Рисунок 15 - Анализатор BST8-3;

 

- 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.

Было обнаружено, 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 (ёмкость).
  • Низкий саморазряд.
  • Не требуют обслуживания.

     Под воздействием заряда Li-ion аккумуляторы снижают 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 покупать аккумулятор «про запас» или 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.