Om du undrar hur litiumbatterier tillverkas vet du förmodligen redan att de i princip driver hela vår värld. Dessa energitäta små kapslar fyller kraft och de driver allt från våra smartphones till våra elfordon. Om vi inte hade litiumbatterier skulle vi spendera mycket mer tid kopplade till ett uttag. Våra mobiltelefoner kanske inte ens får plats i våra fickor utan denna teknik. Så hur tillverkas litiumbatterier?
Den här artikeln svarar på mysteriet med batteritillverkning genom att diskutera material, tillverkning och montering. Låt oss börja.
Vad är litiumjonbatterier?
Ett litiumjonbatteri är ett elektrokemiskt batteri som använder litiumjoner för att förflytta elektroner och generera spänning. Litiumjonbatterier är några av de mest energitäta och mest hållbara uppladdningsbara batterierna som finns. Dessa batterier är ofta hjärtat i bärbara och off-grid kraftsystem, från mobiltelefoner till hemströmsystem.
Vilka material används för att göra ett litiumbatteri?
Nu när vi har pratat om vad litiumjonbatterier är kan vi diskutera alla deras olika komponenter och material.
Litiumbattericeller
Tro det eller ej, de stora litiumbatterierna du ser i båtar och bilar består faktiskt av många mindre celler. Inom var och en av dessa celler finns en anod, katod och elektrolyt. Således är var och en av dessa celler ett batteri som tekniskt sett skulle kunna fungera på egen hand. Tillverkarna länkar sedan samman dem för att skapa den spänning som behövs.
Ett batteri producerar ström när elektroner rör sig från anoden genom elektrolyten till katoden. En anod är vanligtvis gjord av någon sorts oxiderande metall som grafit eller zink, medan en katod vanligtvis är gjord av någon slags litiumoxid.
I grund och botten bör anoden förlora elektroner medan katoden ska få elektroner. Däremot är elektrolyten vanligtvis någon form av litiumsaltlösning som kan transportera elektroner. Det är detta litiumsalt som ger överskottselektronerna för att batteriet ska fungera.
Elektronik och komponenter
Så hur ansluter de enskilda cellerna för att skapa ett större, kraftfullare batteripaket? Med ledningar såklart! I huvudsak ansluter cellerna till varandra på ett sätt som gör att elektronerna kan flöda sömlöst genom systemet. Positiva (katoder) ansluts till negativa (anoder) genom koppar och aluminium terminaler och ledningar.
Slutligen, inom varje batteripaket finns ett batterihanteringssystem (BMS på engelska). Denna viktiga komponent övervakar allt från batteriets temperatur till laddning och tömning av varje enskild cell.
Batterihölje
Sist men inte minst måste det finnas ett sätt att skydda alla dessa vitala delar. Batterihöljet utför denna viktiga funktion. Vanligtvis tillverkad av plast, gummi eller kisel, den hårda utsidan av batteriet skyddar cellerna, interna ledningar och BMS från exponering för yttre element som kan störa batteriets funktion.
Hur tillverkas litiumbatterier?
Låt oss utforska processen för tillverkning av litiumbatterier. Från celltillverkning till batteripaketet är varje steg noggrant för att säkerställa både säkerhet och tillförlitlighet.
Celltillverkning
Så hur är cellerna i litiumbatteriet gjorda? Anoden och katoden kommer att börja separat från varandra på ett stort löpande band. Detta för att förhindra korskontaminering. De blandas båda med ett ledande bindemedel för att bilda en blandning och sedan belägger folie (aluminium för katoden, koppar för anoden) anoden och katoden. En speciell ugn bakar folien på elektroderna.
Efter detta är det dags att linda ihop cellen och installera terminalerna. Tillverkaren lägger till ventiler och andra säkerhetsåtgärder och för in elektrolyten genom ett vakuum (den reagerar på syre och kan därför inte ha någon kontakt med luften). När tillverkaren stänger fodralet kan de ladda och testa cellen.
Batteripaketmontering
Låt oss nu titta på hur de enskilda cellerna går ihop för att skapa ett batteripaket. Först svetsar tillverkaren cellerna till plattor på både anodsidan och katodsidan och sätter sedan ihop dem till förpackningar. Tillverkaren testar de individuella paketen och matchar dem för att bilda önskade amperetimmar (till exempel kommer 30 individuella celler att skapa ett 100Ah batteri).
Efter detta sätter tillverkaren ihop förpackningarna till ett fodral och ansluter dem till BMS. Tillverkaren kommer att testa batteriet precis som de testade de enskilda cellerna och paketen för att säkerställa säkerhet och tillförlitlighet.
Vikten av tillverkningskvalitet
Att göra ett säkert, högpresterande batteri kräver noggrannhet. Som du säkert redan vet har litiumbatterier stora säkerhetsrisker.
Felaktig tillverkning och felaktig användning kan öka dessa risker. Detta involverar ett fenomen som kallas termisk runaway (i huvudsak en brand som är extremt svår att släcka). Detta kan hända när cellerna inte fungerar enhetligt.
Inte bara det, utan prestandan för ett dåligt tillverkat batteri kommer att bli lidande. Det är därför det är så viktigt att lita på din batteritillverkare. Du vill inte bara få värd för dina pengar, utan du vill också sova gott och veta att dina batterier är av hög kvalitet och säkra.
Är litiumbatterier återvinningsbara?
Det är möjligt att återvinna använda batterier och återanvända litium från dem. Vid denna tidpunkt är återvinningsprocesserna fortfarande relativt nya, utmanande och dyra.
Dessutom är litiumbatterier en ganska ny teknik, och de håller länge. Många av dessa batterier har inte nått sin livslängd och behöver inte återvinnas ännu. Eftersom fler batterier behöver återvinnas är det avgörande att förbättra återvinningsprocesserna för att skapa en hållbar framtid för vår naturliga försörjning.
Litiumbatterier föreslogs för första gången på 1970-talet och tillverkades kommersiellt av Sony 1991, litiumbatterier används nu i mobiltelefoner, flygplan och bilar. Trots flera fördelar som har lett dem till ökad framgång inom energiindustrin, har litiumjonbatterier vissa nackdelar och är ett ämne som väcker mycket diskussion.
För- och nackdelar med litiumbatterier
Litiumbatterier har en mycket högre energitäthet än andra batterier. De kan ha upp till 150 wattimmar (WH) energi per kilogram (kg), jämfört med nickelmetallhydridbatterier vid 60-70WH/kg och blysyrabatterier vid 25WH/kg.
De har också en lägre urladdningshastighet än andra och tappar cirka 5 % av sin laddning på en månad jämfört med nickel-kadmium (NiMH) batterier som tappar 20 % på en månad.
Men litiumbatterier innehåller också en brandfarlig elektrolyt som kan orsaka småskaliga batteribränder. Det var detta som orsakade de ökända Samsung Note 7-smarttelefonbränderna, som tvingade Samsung att skrota produktionen och förlora 26 miljarder dollar i marknadsvärde. Det bör noteras att detta inte har hänt med storskaliga litiumbatterier.
Litiumjonbatterier är också dyrare att tillverka, eftersom de kan kosta nästan 40 % mer att tillverka än nickel-kadmiumbatterier.
Tillverkning av ett batteri
Vid första anblick har ett batteri celler, moduler och strängar – vilket gör det likt en PV-panel. Men stora skillnader blir uppenbara när man jämför de enskilda cellerna. En PV-cell fungerar enligt den kvantfotovoltaiska effekten; en battericell är beroende av kemiska reaktioner. Funktionsprincipen för ett batteri är mer som en kemisk processteknisk anläggning, och som ett resultat av detta skiljer sig tillverkningsprocesserna avsevärt.
Till skillnad från PV-celler måste litiumjonbattericeller övervakas individuellt för spänning, ström och temperatur av säkerhets- och prestandaskäl. Kvaliteten och noggrannheten hos batterihanteringssystemet spelar en lika viktig roll för det övergripande batterisystemets prestanda och säkerhet. Det betyder att alla processer relaterade till tillverkningen av motsvarande elektronik måste hanteras på samma sätt som produktionen av en PV-växelriktare.
Att göra ett högpresterande, säkert batterisystem är ingen raketvetenskap, men det kräver stor noggrannhet. Den största utmaningen är att skapa en tredimensionell struktur (en rund eller prismatisk cell) av en till stor del tvådimensionell struktur (folielager).
För att tillverka dessa celler är det viktigt att skapa denna yta med extrem precision. Ett vanligt riktmärke är att den maximala avvikelsen för yttjocklek inte bör överstiga 1 % till 2 %. Om en tillverkare överskrider detta, löper batteriet en högre risk att bli en säkerhetsrisk och drabbas av accelererad prestandaförsämring.
Tillverkningen av ett batteri kan i allmänhet delas upp i fyra huvudsteg:
1. Inledande kvalitetskontroll och elektrodproduktion
2. Montering av cellstaplar
3. Torkning, elektrolytfyllning, formatering, åldring och sortering
4. Montering av celler till ett batteri
