A hordozható elektromos eszközök és egyre inkább járművek energiaforrása az akkumulátor. Ezen belül a Lítium-ion akkumulátorok gyártásáról szól ez a bejegyzés. Szükségességét a Magyarországra egyre nagyobb számban települő akkumulátorgyárak és azok beszállítóinak megjelenése váltotta ki.
Nem tudományos mélységű ez az írás, inkább laikusoknak készült, akik tájékozódni szeretnének a témában.
Lítium-ion akkumulátor gyártásnál felhasznált anyagok
- Aktív katód anyagok: NMC (Nikkel-Mangán-Kobalt), NCA (Nikkel-Mangán-Alumínium), LNMO (Lítium-Nikkel-Mangán-Oxid), LMO (Lítium-Mangán-Oxid), LCO (Lítium-Kobal-Oxid), LFP (Lítium-Vas-Foszfát)
- Aktív anód anyagok: LTO (Lítium-Titán-Oxid), LT (Lítium-Titán), Természetes Grafitpor, Aktivált szén, Szilíciumkarbid
- Fóliák: Alumínium, Rozsdamentes acél, Réz, Nikkel, Grafit
- Elektrolit anyagok: LiPF6, LiBOB, LiTFSI és Na-ion
- Kötőanyagok: PVDF, SBR, CMC, NMP és PTFE.
- Elválasztó/szeparátor anyagok és szalagok: PE, PP, PI, kerámia, magashőmérsékletű Teflon szalag, Polyimid.
Hogyan néz ki egy Li-ion akkumulátor?
Az akkumulátor anódból, katódból, elválasztó (szeparátor) fóliából, elektrolitból, pozitív és negatív pólusból áll. Az anód és a katód fogadja a lítium ionokat. Az elektrolit pozitív töltésű lítium ionokat továbbít az anódról a katódra (kisütés) és fordítva az elválasztó (szeparátor) fólián keresztül (töltés). A lítium ionok mozgása során szabad elektronok jönnek létre az anódban, ami töltéseket hoz létre a pozitív áramkollektoron(póluson). Az elektromos áram ezután az áramkollektorból az elektromos eszközön (mobiltelefonon, jármű, stb.) keresztül a negatív áramkollektorba áramlik. A szeparátor feladata megakadályozni az elektronok áramlását az akkumulátoron belül.
Az akkumulátor gyártás folyamata
A gyártáshoz nélkülözhetetlen a Lítium. Ez elemi formában nem található meg a természetben, mert nagy a reakcióképessége.
A mobiltelefonban 0,6 g, egy laptopban 4,6 g, egy átlagos (75 kWh) elektromos járműben 7500 g Lítium van.
1. Elektródák gyártása
Anódhoz szükséges: grafit, vezető feketeszén, ionmentesített víz, kötőanyag.
Katódhoz szükséges: LiO2, feketeszén, N-Metil-pirrolidon, kötőanyag (PVDF)
A fenti anyagokat szárazan összekeverik, majd hozzáöntik a folyadékokat.
A keverés folyamata 30 perctől 5 óráig tarthat. 20-40 fokos hőmérsékleten végzik.
2. Bevonatképzés
Az előállított elektróda anyagokat egy réz-, vagy alumíniumfóliára felviszik bevonatként.
A fóliát bevonják a szuszpenzióval egy felhordó eszközzel.
● A fóliát a bevonat irányában folyamatosan vagy szakaszosan vonják be.
● Ha szükséges, a fólia felső és alsó oldalát egymás után vonják be. Sebessége 35-80 m/perc
● A bevont fólia folyamatosan megy a szárítóba. Az első szárítási folyamat után a fóliát visszavezetik a bevonatképző gépbe.
● Ezt követően a második oldalt a leírt eljárás szerint bevonják.
● Az alumínium- (hengerelt) és rézfóliát (hengerelt vagy elektrolitikusan előállított) általában vásárolják az akkumulátor gyárak.
● A filmvastagság (anód – rézfólia és katód – alumíniumfólia) 5 μm és 25 μm között változik.
3. Szárítás
● A bevont fóliát ezután a szárítóba vezetik.
● Az bevonatban található oldószert magas hőmérsékleten (50-160 oC) távolítják el az anyagból.
● A katódbevonatban lévő erősen gyúlékony oldószert visszanyerik, vagy további termikus célra használják fel.
● A fólia továbbítása görgős rendszerekkel vagy úsztató (alulról fújt) légárammal történik.
● A szárító különböző hőmérsékleti zónákra van felosztva, hogy egyedi hőmérsékleti profilt alakuljon ki. Ezt kamrarendszerrel valósítják meg.
● A szárítón való áthaladás után a fólia szoba-hőmérsékletűre hűl.
4. Hengerelés
A megszárított réz-, vagy alumíniumfóliát hengerelni kell, hogy mindenhol azonos vastagságú legyen a bevonatolás után. Akár 2500 N/mm-rel is préselhetik a hengerek a fóliát. Percenként 60-100 méternyit tudnak így feldolgozni.
5. Hasítás
A hengerelt és újra feltekert fóliát egy hasítógéppel hosszanti irányban keskenyebb részekre vágják.
6. Vákuumos szárítás
Az elektródákhoz szükséges kisebb fóliatekercseket vákuumos szárítóba helyezik, ahol 12-30 órát is eltöltenek. Ezzel a még bennük lévő nedvességet és oldószereket teljesen eltávolítják. A teljesen kiszárított tekercseket levákuumozott csomagolóanyag alatt tárolják a felhasználásig.
7. Elektródák darabolása
Erre a lapos, pl. mobiltelefonokban használandó akkumulátorok gyártásához van szükség. A járművekben lévő akkumulátorok következő gyártási lépése lejjebb olvasható ide kattintva.
A tekercsben érkező elektródafóliát feldarabolják. 1 elektródát kb. 0,2 másodperc alatt vágnak ki.
8.A Rétegezés
A szépen, lapokkal egymásra rakott elektródákat rétegezni kell. Anód, elválasztó (szepatátor), katód, anód, elválasztó, katód, stb. A két végén az áramgyűjtő kollektorokkal.
9. Csomagolás
Az elkészült és rétegezett elektródákat alumínium kompozit anyagba (polyamid/alumínium/polypropilén) csomagolják, az elektródákra forrasztanak kivezetéseket, körben lehegesztik a műanyagot, de egyik oldalukon hagynak egy kis nyílást.
10. Elektrolit feltöltés
A kis „tasakokba” rakott elektródák közé injektálják az elektrolitot a le nem zárt részen. Egy tű segítségével vákuumot (0,01 mbar) képeznek a tasakokban, így azok magukba szívják az elektrolitot, majd még a vákuum alatt lezárják a tasakot.
11. A járművekben használt akkumulátorok következő gyártási lépése
A fenti folyamatokhoz képest itt nem darabolják kis részekre a tekercset, hanem a három különböző fóliát a képen látható módon rétegezik és egy akkumulátor cellát képeznek belőle. Percenként kb. 30 cellatekercset csinálnak.
12. Cellák kialakítása
A fenti képen látható lapos cellákat a sokak által ismert akkumulátor „dobozokba” helyezik.
13. Elektrolit feltöltés
Vákuumot képezve (0,01 mbar) az akkumulátor dobozán, az elektrolitot (LiPF6) magába szívja. Miután megtelt, a szelepet véglegesen lehegesztik.
14. Utolsó lépések
A gyártás végén az elkészült akkumulátorokat tesztelik, formázzák, kicsit öregítik, osztályozzák és csomagolják.
Ha tetszett a cikk, támogathatod munkámat a Patreonon: