Prozess zur Bildung von Lithium-Ionen-Batterien

Einführung

Lithium-Ionen-Batterien sind die gängigen Stromquellen in den meisten tragbaren Elektrogeräten und Elektrofahrzeugen. Diese Batterietechnologie zeichnet sich durch eine erhöhte Energiedichte aus. Die Forschung wird fortgesetzt, um die Energiedichte dieser Batterien weiter zu erhöhen. Viele Wissenschaftler entwickeln und verbessern Kathodenmaterialien und Anodenmaterialien für Hochspannung und hohe Energiedichte. Gleichzeitig suchen Wissenschaftler nach verschiedenen Möglichkeiten, um die Produktionskosten für Lithium-Ionen-Batterien zu senken, ohne die Zellleistung zu beeinträchtigen, insbesondere für Anwendungen in Elektrofahrzeugen.

Derzeit ist so viel los mit der Lithium-Ionen-Batterietechnologie. Da zahlreiche Geräte diese Batterietechnologie verwenden, möchten wir wissen, wie diese Batterien hergestellt werden. Die Informationen zur Bildung von Lithium-Ionen-Batterien sind interessant, insbesondere weil dies die neueste Batterietechnologie ist.

Der Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien ähnelt in gewisser Weise dem bei der Herstellung von Nickel-Cadmium-Zellen und Nickel-Metallhydrid-Zellen verwendeten Verfahren, es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede, die mit der höheren Reaktivität der in den Lithium-Zellen verwendeten Chemikalien verbunden sind. Lesen Sie weiter, um mehr über die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu erfahren.

Wie werden Lithiumbatterien hergestellt?

Die Herstellung der Lithium-Ionen-Batterie besteht aus drei Hauptprozessen; Elektrodenherstellung, Zellmontage und Zellveredelung. Der Bildungsprozess für die Lithiumbatterie dauert typischerweise mehrere Tage oder länger, und dies ist notwendig, um eine stabile Festelektrolyt-Interphase an der Anode bereitzustellen, um einen irreversiblen Verbrauch des Elektrolyten und der Lithiumionen zu verhindern. An der Kathode bildet sich bei hohen Potentialen gegenüber Li / Li + eine analoge Schicht, die als Kathodenelektrolyt-Interphasenschicht bekannt ist.

Betrachten wir drei Hauptprozesse bei der Herstellung von Lithiumbatterien.

1. Elektrodenherstellung

Es ist wichtig zu beachten, dass die Anoden und Kathoden in den Lithiumzellen eine ähnliche Form haben und durch ähnliche Prozesse oder identische Geräte hergestellt werden. Die Elektrodenherstellung kann auch als Elektrodenbeschichtung bezeichnet werden. Bei diesem Verfahren werden die aktiven Elektrodenmaterialien auf beiden Seiten mit Metallfolien beschichtet, die in diesem Stadium als Stromkollektoren wirken, die Strom in die Zelle hinein und aus dieser heraus leiten. Die Anode besteht normalerweise aus Kohlenstoff, während die Kathode ein Lithiummetalloxid ist. Diese Materialien müssen im Werk hauptsächlich in Form von Schwarzpulver geliefert werden, und wenn Sie nicht sehr vorsichtig sind, sehen sie fast nicht voneinander zu unterscheiden aus. Verunreinigungen zwischen Anode und Kathodenmaterial müssen unbedingt vermieden werden, da dies die Batterie ruinieren kann. Daher muss sehr darauf geachtet werden, dass diese Materialien nicht miteinander in Kontakt kommen. Dies erklärt den Grund, warum die Anoden und die Kathoden in verschiedenen Räumen verarbeitet werden.

Der Partikelgröße muss große Aufmerksamkeit gewidmet werden, um sicherzustellen, dass sie auf einem Minimum gehalten wird, um die maximale effektive Oberfläche der Elektroden zu erreichen, die für Hochstromzellen benötigt wird. Auch die Form des Partikels ist wichtig. Normalerweise werden die glatten kugelförmigen Formen mit abgerundeten Kanten im Vergleich zu scharfen Kanten oder schuppigen Oberflächen, die einer höheren elektrischen Spannung und Zersetzung der anodenpassivierenden SEI-Schicht ausgesetzt sind, als am wünschenswertesten angesehen, was zur Erzeugung großer Wärmemengen führen kann und sogar möglich ist thermisches Durchgehen, wenn die Zellen verwendet werden.

Die Metallelektrodenfolien werden auf großen Rollen geliefert, wobei Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode ist. Die Rollen werden dann direkt auf den Beschichtungsmaschinen montiert, wo die Folie abgewickelt und über Präzisionswalzen in die Maschine eingelegt wird.

Zuerst werden die Elektrodenmaterialien mit einem leitfähigen Bindemittel gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden, die dann auf der Oberfläche der Folie verteilt wird, wenn sie in die Maschine gelangt. Die Dicke der Beschichtungsschichten muss so eingestellt werden, dass der energiespeicher pro Einheit der Anode und der Kathodenelektroden angepasst werden kann.

Die beschichtete Folie wird dann direkt in einen langen Trockenofen geleitet, um das Elektrodenmaterial auf die Folie zu backen. Wenn die beschichtete Folie den Ofen verlässt, wird sie wieder aufgerollt. Die aufgerollten Folien werden in Schneidemaschinen eingespeist, wo sie in schmalere Streifen geschnitten werden, die für Elektroden unterschiedlicher Größe geeignet sind. Dann werden sie abgelängt.

2. Zellenmontage

Der zweite Prozess bei der Herstellung von Lithiumbatterien ist die Zellanordnung. Dies zeigt, dass dies an hochautomatisierten Geräten oder durch manuelle Montagemethoden durchgeführt werden kann.

Die erste Stufe in diesem Prozess besteht darin, die Elektrodenanordnung aufzubauen, wobei der Separator zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Oft werden je nach Art des zu verwendenden Zellgehäuses zwei grundlegende Elektrodenstrukturen verwendet; eine gestapelte Struktur zur Verwendung in prismatischen Zellen und eine spiralförmig gewickelte Struktur zur Verwendung in zylindrischen Zellen.

· Prismatische Zellen

Die prismatischen Zellen sind die am meisten bevorzugte Wahl für Batterieanwendungen mit hoher Kapazität, um die Raumnutzung zu optimieren. Diese Zellen verwenden eine gestapelte Elektrodenstruktur, bei der die Anode und die Kathodenfolien in einzelne Platten geschnitten und alternativ gestapelt und durch den Separator auseinander gehalten werden. Der Separator wird üblicherweise in einem langen Streifen angewendet, der in Zick-Zack-Form mit abwechselnden Elektroden im Stapel gewickelt ist.

Dieses Gehäusedesign nutzt den Platz optimal aus, wenn es in einem Batteriepack verwendet wird, erfordert jedoch mehrere Elektrodenplatten, die auf eine bestimmte Weise geklemmt werden müssen, um alle Anoden miteinander zu verbinden und den Anschlusspfosten und einen ähnlichen Klemmmechanismus für die Kathoden aufrechtzuerhalten . Dies erhöht die Komplexität und den Arbeitsinhalt der Zelle und letztendlich die Kosten.

· Zylinderzellen

Für die zylindrische Konstruktion werden die Anoden- und Kathodenfolien in zwei lange Streifen geschnitten, die zusammen mit dem Separator, der sie auseinander hält, auf einen zylindrischen Dorn gewickelt sind. Daher können Sie sehen, dass zylindrische Zellen nur zwei Elektrodenstreifen haben, was den Aufbau erheblich vereinfacht.

Jede Elektrode wird über eine einzige Lasche mit dem entsprechenden Anschluss verbunden. Hochleistungszellen können jedoch mehrere Laschen entlang der Kanten aufweisen, damit der Elektrodenstreifen die höheren Ströme führt.

Die Elektrodenstruktur wird zusammen mit allen Sicherheitsvorrichtungen mit den Anschlüssen verbunden und dann in die Dose eingeführt. Die Dose wird dann durch Erhitzen oder Laserschweißen versiegelt, wobei eine Öffnung zum Einspritzen des Elektrolyten in die Dose verbleibt.

Die Zelle wird dann mit einem Elektrolyten gefüllt und versiegelt. Dies muss in einem trockenen Raum erfolgen, um eine Reaktion zwischen Elektrolyt und Wasser zu vermeiden.

Die gesamte Zelle wird mit einem Etikett gekennzeichnet.

Schneller Formationszyklus für Lithium-Ionen-Batterien

Dies geschieht, sobald die Zellenmontage abgeschlossen ist. Schneller Formationszyklus bedeutet, dass die Zelle mindestens einen genau gesteuerten Lade- / Entladezyklus durchläuft, der die Arbeitsmaterialien aktivieren und sie so in ihre funktionale Form umwandeln soll. Der Ladevorgang beginnt mit einer niedrigen Spannung, die sich allmählich aufbaut, anstelle der normalen Konstantstrom-Spannungs-Ladekurve, die wir für unsere Lithiumbatterien verwenden. Deshalb nennt man es schnelles Formationsradfahren.

Bei fast allen Lithiumchemien wird bei diesem Prozess die Festelektrolytgrenzfläche (SEI) an der Anode erzeugt. SEI ist eine passivierende Schicht, die für die Moderation des Ladevorgangs bei normalem Gebrauch unerlässlich ist.

Während des Bildungsprozesses werden Daten zur Zellleistung wie Kapazität und Impedanz gesammelt und zur Qualitätsanalyse und Rückverfolgbarkeit aufgezeichnet.

Theorie und End-of-Life-Test von Lithium-Ionen-Batterien?

Fast alle tragbaren elektronischen Geräte verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Elektrofahrzeuge zu, so dass eine genau definierte Strategie für das Ende der Lebensdauer der Batterien erforderlich ist.

Der Formationsprozess ermöglicht es, dass ein erheblicher Prozentsatz der frühen Zelllebensausfälle aufgrund von Herstellungsfehlern im Werk des Herstellers und nicht beim Kunden auftritt. Strenge Prozesskontrollen sind während des gesamten Herstellungsprozesses unerlässlich.

Umweltvorschriften wie Richtlinien zum Ende des Fahrzeugs verlangen von den Autoherstellern, dass sie nach dem Gebrauch eine erweiterte Verantwortung für ihre Fahrzeuge und Komponenten übernehmen. Es erfordert, dass die Autohersteller ihre Produkte entweder zurücknehmen, um sie wiederzuverwenden, zu recyceln und wiederaufzubauen, oder diese Verantwortung an Dritte delegieren.

In vielen Literaturstellen wurde Recycling als Strategie für das Ende der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien vorgeschlagen.

Fazit

Jetzt haben Sie gelernt, wie Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden. Die Herstellung dauert mehrere Tage oder länger. Die Herstellung dieser Batterietechnologie umfasst drei Prozesse; Elektrodenherstellung, Zellmontage und Zellveredelung. Zellaufbau und Zellveredelung können nicht getrennt werden. Die Prozesse müssen sorgfältig durchgeführt werden, um eine Kontamination der Materialien zu verhindern.