Литиевые аккумуляторы: от сырья до готовых химических источников тока.

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 литий-кобальт оксид (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.

Шаг 1: Процесс обработки сырья и покрытие электродов

Сначала в трубчатую печь помещают активное вещество (сырьё), где оно спекается, температура может достигать 1200^оС, затем происходит размалывание спеченного материала низко шумовой шаровой мельницей, 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 настольного типа или более крупных моделей, способных достичь наилучшей дисперсии и однородности суспензии без образования пузырьков газа, затем ракельной установкой, либо более производительной системой с подмоткой ролик-ролик, полученную суспензию очень тонким слоем наносят на субстрат, после чего нанесённое покрытие подвергается термической обработке в печи, так как оно должно иметь не только определённый химический состав, но и влажность. Далее рулон помещается в прецизионный пресс прокатки, который уплотняет нанесённый на фольгу состав. Это делается для того, чтобы достичь наилучшей плоскостности электрода, уменьшить его толщину, а значит и объём всего аккумулятора до желаемых параметров.

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 , полученные заготовки разрезают на полосы, требуемых размеров, в зависимости от необходимых параметров. Нарезанные электродынеобходимо просушить, для чего используется вакуумная печь серии , её рабочая температура, достигает 250^оС. 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, многослойные электроды соединяются с токосъёмниками. Установка намотки, 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 приваривается отрицательная клемма, затем пазовальной установкой вокруг создаётся углубление, что в дальнейшем позволяет установить крышку аккумулятора.В перчаточном боксе в корпус производят инъекцию электролита дозатором. В бокс напускается 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. 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 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.

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.