بررسی فنی و بازار باتری لیتیومی (فنی)

1- بررسی فنی

باتری ها امروزه بخش مهمی در زندگی انسان ها بازی میکنند. تقریبا تمامی وسائل الکتریکی که از برق مستقیم استفاده نمی‌کنند، برای استفاده از آن‌ها نیاز به باتری وجود دارد که البته باتری‌ها هم دارای انوع مختلف برای کاربرد های مختلف ساخته شده است. از باتری که برای تنظیم ضربان قلب انسان در علم پزشکی گرفته تا تولید اتوبوس و کامیون ها توسط شرکت تسلا از باتری استفاده میشود.

1-1- اجزای تشکیل دهنده باتری

باتری‌ها از سه مؤلفه اصلی تشکیل شده‌اند: یک آند، یک کاتد و یک الکترولیت. اغلب از یک جداکننده برای جلوگیری از اتصال آند و کاتد استفاده می‌شود (اگر الکترولیت برای این کار کافی و مناسب نباشد). باتری‌ها، به منظور نگه داشتن این اجزا کنار یکدیگر، از نوعی پوشش استفاده می‌کنند.

آند و کاتد، نوعی از الکترود هستند. الکترودها، رساناهایی هستند که الکتریسیته از طریق آن‌ها وارد یک جز مدار شده و ا از آن خارج می‌شود.

1-1-1- آند

الکترون‌ها در یک مدار متصل به یک وسیله، از آند خارج می‌شوند. «جریان» قراردادی به سمت داخل آند است. در یک باتری، واکنش شیمیایی بین آند و الکترولیت، الکترون‌ها را درون کاتد جمع می‌کند. این الکترون‌ها تمایل به حرکت به سمت کاتد را دارند اما وجود الکترولیت یا جداکننده، این اجازه را به آن‌ها نمی‌دهد. در باتری‌ها، آند به عنوان قطب منفی (-) علامت‌گذاری می‌شود.

1-1-2- کاتد

الکترون‌ها در یک مدار متصل به یک وسیله، به کاتد وارد می‌شوند. «جریان» قراردادی به سمت خارج کاتد است. در باتری‌ها، واکنش شیمیایی در درون با اطراف کاتد از الکترون‌های تولیدشده در آند استفاده می‌کند. تنها راه رسیدن الکترون‌ها به کاتد از طریق مدار خارج از باتری است. در باتری‌ها، کاتد به عنوان قطب مثبت (+) علامت‌گذاری می‌شود.

1-1-3- الکترولیت

الکترولیت ماده‌ای به صورت مایع یا ژل است. این ماده، قابلیت انتقال یون‌ها بین واکنش‌های رخ‌داده در آند و کاتد را دارد. الکترولیت از جریان الکترون بین آند و کاتد نیز جلوگیری می‌کند. این کار باعث می‌شود که الکترون‌ها در مدار خارجی راحت‌تر جریان داشته باشند (جریان الکترون درون الکترولیت سخت‌تر است). الکترولیت در عملکرد باتری بسیار مهم و حیاتی است. به دلیل عدم عبور الکترون‌ها از درون الکترولیت، آن‌ها مجبور به حرکت از طریق رسانای الکتریکی (مدار) متصل به آند و کاتد می‌شوند.

1-1-4- جداکننده

جداکننده‌ها، مواد متخلخلی هستند که از اتصال آند و کاتد (اتصال کوتاه در درون باتری) به یکدیگر جلوگیری می‌کنند. ماده‌ی سازنده جداکننده‌ها متفاوت است. پنبه، نایلون، پلی‌استر، مقوا و لایه‌های پلیمر مصنوعی از موادی هستند که در ساخت جداکننده‌ها استفاده می‌شوند. جداکننده‌ها با هیچ یک از اجزای آند، کاتد و یا الکترولیت واکنش نمی‌دهند.

1-1-5- محفظه یا پوشش باتری

بیشتر باتری‌ها نیاز به روشی برای نگه داشتن اجزای مختلفشان کنار یکدیگر دارند. پوشش‌ها، تنها ساختارهای مکانیکی با هدف نگه داشتن اجزای داخلی باتری هستند. پوشش‌های باتری را می‌توان تقریباً با هر چیزی ساخت. پلاستیک، فولاد، کیسه‌های ورقه‌ای پلیمر نرم و غیره، موادی هستند که در ساخت پوشش باتری‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند. برخی از باتری‌ها از پوشش فلز رسانای متصل به یکی از الکترودها استفاده می‌کنند. در باتری‌های آلکالین معمولی  «AA»، پوشش فلزی به کاتد متصل است.

1-2- شیمی واکنش

باتری‌ها برای عملکرد، معمولاً نیاز به چندین واکنش شیمیایی دارند. حداقل یک واکنش در درون یا اطراف آند و یک یا چند واکنش در درون یا اطراف کاتد رخ می‌دهد. در همه موارد، واکنش بخش آند، الکترون‌های اضافی تولید می‌کند (به این واکنش، «اکسیداسیون» گفته می‌شود) و واکنش بخش کاتد از الکترون‌های اضافی استفاده می‌کند (به این فرآیند «کاهش» گفته می‌شود).

شکل ‏5‑1- شماتیک فرایند باتری

اساساً، نوع خاصی از واکنش شیمیایی (واکنش اکسایش کاهش) به دو بخش مجزا تقسیم می‌شوند. واکنش اکسایش – کاهش، زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها بین مواد شیمیایی جابجا می‌شوند. حرکت الکترون‌ها در درون این واکنش را برای جریان به خارج از باتری و تأمین نیروی مدار قابل‌کنترل است.

1-1-1- اکسیداسیون آند

اولین بخش واکنش اکسیداسون – کاهش یعنی اکسیداسیون، بین الکترولیت و آند رخ می‌دهد. این مرحله، باعث تولید الکترون (e-) می‌شود.

در برخی از واکنش‌های اکسیداسیون، مانند اکسیداسیون در باتری لیتیوم – یون، یون تولید می‌شود. در ترکیبات شیمیایی دیگر، مانند اکسیداسیون در باتری آلکالین، یون مصرف می‌شود. در هر دو مورد، یون‌ها می‌توانند به راحتی از درون الکترولیت عبور کنند (در صورتی که الکترون‌ها نمی‌توانند).

1-1-2- کاهش کاتد

بخش دیگر واکنش اکسیداسیون – کاهش، یعنی کاهش، اطراف یا درون کاتد رخ می‌دهد. الکترون‌های تولیدشده توسط واکنش اکسیداسیون، در حین واکنش کاهش مصرف می‌شوند.

در برخی موارد، مانند باتری‌های لتیوم – یون، یون‌های مثبت تولیدشده در واکنش اکسیداسیون، در واکنش کاهش مصرف می‌شوند. در موارد دیگر، مانند باتری‌های آلکالین، یون‌های منفی، در واکنش کاهش تولید می‌شوند.

1-1-3- جریان الکترون

در اکثر باتری‌ها، برخی از واکنش‌ها (یا همه واکنش‌ها) حتی در زمان متصل نبودن باتری به مدار نیز رخ می‌دهند. این واکنش‌ها در عمر مفید باتری تأثیر دارند.

در بیشتر موارد، واکنش‌ها تنها زمانی با نیروی کامل رخ می‌دهد که مدار هدایت الکتریکی بین آند و کاتد کامل شده باشد. هر چه مقاومت کمتری بین آند و کاتد باشد، الکترون‌های بیشتری جریان یافته و واکنش‌های شیمیایی با سرعت بیشتری رخ می‌دهند.

1-2- روش تولید باتری های لیتیومی

تولید سلول باتری لیتیوم یون شامل سه مرحله اصلی فرآیندی شامل تولید الکترود، مونتاژ سلول و تکمیل سلول است. تولید الکترود و تکمیل سلول تا حد زیادی مستقل از نوع سلول است، در حالی که در داخل مونتاژ سلول باید بین سلولهای تخت، سلول های استوانه ای و سلولهای منشوری تمایز قائل شد.

صرف نظر از نوع سلول، کوچکترین واحد سلول سلول یونی لیتیوم از دو الکترود و یک جدا کننده تشکیل شده است که الکترودها را از یکدیگر جدا می کند. الکترولیت رسانای یونی منافذ الکترودها و فضای باقیمانده درون سلول را پر می کند.

1-2-1- تولید الکترود

تولید اکترود خود دارای 6 مرحله شامل اختلاط، پوشش دهی، خشک کردن، شکل دهی، برش و خشک کردن تحت خلا است که در ادامه هر یک جداگانه توضیح داده شده است.

1-2-1-1- اختلاط

در شکل زیر نحوه اختلاط مواد اولیه نشان داده شده است.

شکل ‏5‑2- شماتیک مرحله ی اختلاط در تولید الکترود

در این مرحله همانند شکل بالا با کمک یک ابزار چرخان حداقل دو ماده اولیه با هم ترکیب می شوند و اصطلاحاً دوغاب تشکیل می دهند. تولید دوغاب نه تنها به مواد فعال بلکه به مواد افزودنی رسانا، حلالها و مواد اتصال دهنده نیز نیاز دارد. بین اختلاط (اختلاط خشک) و پراکندگی (اختلاط مرطوب) نیز میتوان تمایز قایل شد. انتخاب توالی اختلاط و پراکندگی باید متناسب با طراحی الکترود اتخاذ شود.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑1- الزامات فرایندی مرحله اختلاط در تولید الکترود

پارامتر

الزامات

واحد

زاویه مخزن اختلاط نسبت به حالت معمول (α)

0-10

˚ (درجه)

دما

20-40

زمان ماند

30-300

min

انتقال به مرحله پوشش دهی از طریق لوله کشی یا با ذخیره شدن در مخازن ذخیره شده مهر و موم شده انجام می شود.

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

1-1-1-1- پوشش دهی

در شکل زیر نحوه پوشش دهی نشان داده شده است.

شکل ‏5‑3- شماتیک مرحله ی پوشش دهی در تولید الکترود

همانطور که در شکل بالا نیز مشاهده میشود فویل با دوغاب با استفاده از یک ابزار کاربردی پوشانده می شود. فویل به طور مداوم یا به طور متناوب در جهت پوشش پوشانده می شود. به طور کلی، دو طرف بالا و پایین فویل به ترتیب پوشانده می شوند. فویل روکش شده به طور مداوم به خشک کن منتقل می شود. پس از اولین فرآیند خشک کردن، فویل پوشش داده شده از یک طرف با یک فرآیند حمل دستی به سیستم پوشش بازگشت داده می شود. پس از آن، طرف دوم با توجه به روند شرح داده شده پوشش داده می شود.

ضخامت فیلم (آند – فویل مس و کاتد – فویل آلومینیوم) بسته به طراحی سلول بین 5 میکرومتر و 25 میکرومتر متفاوت است.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑2- الزامات فرایندی مرحله پوشش دهی در تولید الکترود

پارامتر

الزامات

واحد

ضخامت فیلم خشک در یک طرف

50-100 آند

40-80 کاتد

سرعت پوشش دهی

35-80

m/min

عرض پوشش دهی

حداکثر 1500

mm

پس از پوشش، ماده فعال تولید شده طی یک فرایند مداوم خشک می شود.

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

1-1-1-2- خشک کردن

در شکل زیر نحوه خشک کردن نشان داده شده است.

شکل ‏5‑4- شماتیک مرحله ی خشک کردن در تولید الکترود

همانطور که در شکل بالا نیز مشاهده میشود حلال با دادن گرما از مواد خارج می شود. حلال بسیار قابل اشتعال موجود در پوشش کاتد بازیابی شده  و یا برای بازیافت حرارتی استفاده می شود. انتقال فویل با یک از دو روش سیستم های غلتکی یا جریان های شناور هوا انجام می شود. برای پوشش همزمان دو طرفه باید از خشک کن شناور استفاده شود. خشک کن برای تحقق بخشیدن به مشخصات لازم به مناطق مختلف دمایی توسط سیستم محفظه ای، تقسیم می شود. پس از عبور از خشک کن، فویل تا دمای اتاق خنک می شود.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑3- الزامات فرایندی مرحله خشک کردن در تولید الکترود

پارامتر

الزامات

واحد

طیف دمایی در محفظه خشک کن

50-160

سرعت خشک کردن

35-80

m/min

طول خشک کن

حداکثر 100

m

در ادامه فویل الکترود خشک وارد مرحله شکل دهی میشود.

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

1-1-1-3- شکل دهی

در شکل زیر نحوه شکل دهی ورقه ها نشان داده شده است.

شکل ‏5‑5- شماتیک مرحله ی شکل دهی در تولید الکترود

همانطور که در شکل بالا مشاهده میشود در هنگام شکل دهی، فویل مس یا آلومینیوم پوشانده شده در هر دو طرف توسط یک جفت غلطک چرخشی فشرده می شود. فویل الکترود ابتدا به صورت ایستا تخلیه شده و توسط برس یا جریان هوا تمیز می شود. در ادامه مواد توسط غلتک های بالا و پایین متراکم می شوند. پس از شکل دهی و اندازه گیری ضخامت، فویل الکترود تمیز شده و دوباره رول می شود.

تمیز بودن غلتک ها برای جلوگیری از نفوذ ذرات خارجی به مواد زیرلایه بسیار مهم است.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑4- الزامات فرایندی مرحله شکل دهی در تولید الکترود

پارامتر

الزامات

واحد

فشار ثابت خط

2500

N/mm2

سرعت شکل دهی

100-60

m/min

تخلخل

20-40

%

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

1-1-1-4- برش

در شکل زیر نحوه برش ورقه ها نشان داده شده است.

شکل ‏5‑6- شماتیک مرحله ی برش در تولید الکترود

همانطور که در شکل مشاهده میشود رول های بزرگ و اصلی شکل داده شده معمولاً توسط یک فرآیند حمل دستی به ایستگاه برش وارد می شوند. برش یک فرایند جداسازی است که در آن یک سیم پیچ الکترود پهن (رول اصلی) به چندین سیم پیچ الکترود کوچکتر (رول فرعی) تقسیم می شود. به طور کلی برای این منظور از چاقوهای غلتکی استفاده می شود. رول های فرعی منفرد پس از فرآیند برش، تمیز و دوباره بسته می شوند.

عرض برش رول های فرعی می تواند بسته به طرح سلول متفاوت باشد و در بسیاری از کاربردها بین 60 تا 300 میلی متر است.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑5- الزامات فرایندی مرحله برش در تولید الکترود

پارامتر

الزامات

واحد

سرعت برش

150-80

m/min

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

1-1-1-5- خشک کن تحت خلا

در شکل زیر خشک کردن تحت خلا نشان داده شده است.

شکل ‏5‑7- شماتیک مرحله ی خشک کردن تحت خلا در تولید الکترود

رول های فرعی (دختر) روکش شده به یک حامل کالای ویژه رانده می شوند. سپس سیم پیچ ها در یک اجاق گاز تحت خلا ذخیره می شوند. زمان خشک شدن تقریباً 12 تا 30 ساعت است. در طی فرایند خشک کردن، رطوبت و حلال های باقیمانده از سیم پیچ ها خارج می شوند. کاهش رطوبت باقیمانده با تبخیر در دمای پایین که در نتیجه فشار کل پایین است، حاصل می شود. پس از اتمام خشک شدن در خلا، سیم پیچ ها مستقیماً به اتاق خشک منتقل شده و یا تحت خلا به صورت خشک، بسته بندی می شوند.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑6- الزامات فرایندی مرحله خشک کردن تحت خلا در تولید الکترود

پارامتر

الزامات

واحد

فشار عملیاتی

0.07-1000

mbar

زمان خشک کردن

30-12

hr

دما خشک کردن

150-60

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

1-1-2- مونتاژ سلول

مونتاژ سلول با توجه به شکل ظاهری باتری متفاوت است.

1-1-2-1- مونتاژ سلول باتری های تخت

مونتاژ سلول باتری های تخت خود دارای 4 مرحله شامل جداسازی، پشته سازی، بسته بندی و پر کردن الکترولیت است که در ادامه هر یک جداگانه توضیح داده شده است.

الف) جداسازی

در شکل زیر شماتیک جداسازی نشان داده شده است.

شکل ‏5‑8- شماتیک مرحله ی جداسازی در مونتاژ سلول

جداسازی برای تولید سلول تخت لازم است. هماطور که در شکل مشاهده میشود رول های خشک شده دختر باز نشده به ابزار جداسازی تغذیه می شوند. فرآیند برش معمولاً با طی یک فرایند پیوسته انجام می شود. بسته به هدف سیستم، ورقهای جداگانه (روکش شده در هر دو طرف) ذخیره شده و یا مستقیماً به مرحله فرآیند بعدی منتقل می شوند.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑7- الزامات فرایندی مرحله جداسازی در مونتاژ سلول

پارامتر

الزامات

واحد

زمان جداسازی

0.2

S/sheet

ب) پشته سازی

در شکل زیر شماتیک پشته سازی نشان داده شده است.

شکل ‏5‑9- شماتیک مرحله ی پشته سازی در مونتاژ سلول

همانطور که در شکل نیز مشاهده میشود در طول فرآیند انباشت، ورقهای الکترود جدا شده در یک چرخه تکرار آند، جدا کننده، کاتد، جدا کننده و غیره انباشته می شوند. طیف گسترده ای از فناوری های انباشته وجود دارد که معمولاً توسط تولیدکنندگان خاصی ثبت اختراع می شود. یک نوع کلاسیک فرایند انباشت، فرایند Z-folding است. ورق های آند و کاتد به طور متناوب از چپ و راست به جدا کننده تاشو به شکل z وارد می شوند. جدا کننده به شکل یک نوار پایان ناپذیر استفاده می شود و پس از مراحل انباشته قطع می شود. پشته سلول در نهایت با نوار چسب ثابت می شود.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

ج) بسته بندی

در شکل زیر شماتیک بسته بندی نشان داده شده است.

شکل ‏5‑10- شماتیک مرحله ی بسته بندی در مونتاژ سلول

همانطور که در شکل نیز قابل مشاهده است برای بسته بندی سلول تخت، ابتدا با استفاده از فرایند جوشکاری اولتراسونیک یا لیزر، زبانه های سلول با فویل ها (آند – مس و کاتد – آلومینیوم) در تماس قرار گرفته می شود. سپس پشته سلول در فویل کیسه قرار می گیرد. سلول تخت معمولاً از سه طرف در یک فرآیند آب بندی ضربه ای یا گازی بسته می شود. یک طرف سلول (غالباً پایین سلول) مهر و موم نشده است تا بتوانید در مرحله بعدی آن را با الکترولیت پر کنید.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑8- الزامات فرایندی مرحله بسته بندی در مونتاژ سلول

پارامتر

الزامات

واحد

فرکانس جوشکاری اولتراسونیک

15-40

kHz

د) پر کردن الکترولیت

در شکل زیر شماتیک پر کردن الکترولیت نشان داده شده است.

شکل ‏5‑11- شماتیک مرحله ی پر کردن الکترولیت در مونتاژ سلول

پس از فرآیند بسته بندی، الکترولیت پر می شود. در پر کردن الکترولیت با کمک سوزن دوز با دقت بالا در تحت خلا درون سلول پر می شود. با اعمال یک پروفیل فشار به سلول (تزریق گاز بی اثر و یا تولید خلا) ، اثر مویرگی در سلول فعال می شود. تخلیه و پر کردن جزئی بسته به تولید کننده و نوع سلول چندین بار تکرار می شود. در آخر، فویل تخت تحت خلا آب بندی می شود.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑9- الزامات فرایندی مرحله پر کردن الکترولیت در مونتاژ سلول

پارامتر

الزامات

واحد

فشار عملیاتی

0.01

mbar

1-1-2-2- مونتاژ سلول باتری های استوانه ای/منشوری

مونتاژ سلول باتری های استوانه ای/منشوری خود دارای 4 مرحله شامل جداسازی، پیچاندن، بسته بندی و پر کردن الکترولیت است که در ادامه هر یک جداگانه توضیح داده شده است.

الف) جداسازی

همانند آنچه در قسمت مونتاژ سلول باتری های تخت گفته شد میباشد.

ب) پیچاندن

در شکل زیر شماتیک پر کردن الکترولیت نشان داده شده است.

شکل ‏5‑12- شماتیک مرحله ی پیچاندن در مونتاژ سلول

پیچاندن (رول کردن) برای تولید سلولهای منشوری و سلولهای استوانه ای مورد نیاز است و پس از خشک شدن تحت خلا سلول های دختر صورت می گیرد. همانطور که در شکل مشاهده میشود فویل های الکترود و دو فویل جدا کننده در اطراف یک سیم پیچ (سلول منشوری) یا یک پایه مرکزی (سلول استوانه ای) پیچیده می شوند. توالی فویل مشابه فرآیند انباشته شدن در مونتاژ سلول های تخت است. محصول پیچش، رول ژله ای نامیده می شود. موقعیت قرارگیری تک ورق های رول ژله ای در نهایت توسط یک نوار چسب محکم می شود.

ج) بسته بندی

در شکل زیر شماتیک پر کردن الکترولیت نشان داده شده است.

شکل ‏5‑13- شماتیک مرحله ی بسته بندی در مونتاژ سلول

بر خلاف پشته سلول در سلول تخت، رول ژله ای در یک محفظه فلزی مقاوم قرار می گیرد. همانطور که در شکل نیز مشاهده میشود در سلول منشوری، لبه های رول ژله ای فشرده، ثابت و به صورت مافوق صوت به پایانه های تماس متصل به درب باتری جوش داده می شوند. یک فویل عایق از رول ژله ای در هنگام قرار دادن در محفظه منشوری محافظت می کند. معمولاً محفظه توسط فرآیند جوشکاری لیزری، آب بندی نیز می شود.

اولین مرحله در فرآیند بسته بندی سلول استوانه ای قرار دادن یک عایق پایین و رول ژله ای در محفظه استوانه ای است. متعاقباً، آند معمولاً به قسمت پایین محفظه و كاتد به درب جوش داده می شود. در آخر، یک حلقه عایق بین رول ژله ای و درب قرار می گیرد.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑10- الزامات فرایندی مرحله بسته بندی در مونتاژ سلول

پارامتر

الزامات

واحد

فرکانس جوشکاری اولتراسونیک

15-40

kHz

د) پرکردن الکترولیت

در شکل زیر شماتیک پر کردن الکترولیت نشان داده شده است.

شکل ‏5‑14- شماتیک مرحله ی پر کردن الکترولیت در مونتاژ سلول

پس از فرآیند بسته بندی، الکترولیت پر می شود. در پر کردن الکترولیت با کمک سوزن دوز با دقت بالا در تحت خلا درون سلول پر می شود. با اعمال یک پروفیل فشار به سلول (تزریق گاز بی اثر و یا تولید خلا) ، اثر مویرگی در سلول فعال می شود. تخلیه و پر کردن جزئی بسته به تولید کننده و نوع سلول چندین بار تکرار می شود. در آخر، فویل تخت تحت خلا آب بندی می شود.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑11- الزامات فرایندی مرحله پر کردن الکترولیت در مونتاژ سلول

پارامتر

الزامات

واحد

فرکانس جوشکاری اولتراسونیک

15-40

kHz

1-1-3- تکمیل سلول

تکمیل سلول باتری با توجه به شکل ظاهری باتری متفاوت است.

تکمیل سلول باتری تخت دارای 4 مرحله شامل فشرده سازی، شکل دهی، گاز زدایی و تست است که در ادامه هر یک جداگانه توضیح داده شده است.

تکمیل سلول باتری منشوری/ استوانه ای دارای 2 مرحله شامل شکل دهی و تست است که در ادامه هر یک جداگانه توضیح داده شده است.

1-1-3-1- فشرده سازی

در شکل زیر شماتیک فشرده سازی نشان داده شده است.

شکل ‏5‑15- شماتیک مرحله ی فشرده سازی در تکمیل سلول تخت

پس از پر کردن الکترولیت، یک فرآیند فشار دادن رول اختیاری می تواند برای سلول تخت انجام شود. سلول تخت لیتیوم یون با کمک گیرنده در یک حامل مخصوص خوب بست می شود. همانطور که در شکل قابل مشاهده است موتور، سلول را از طریق دو غلتک هدایت می کند که فشار مشخصی را وارد می کنند. غلتک ها در این بین با همواره در حال تمیز شدن هستند. فشار دادن رول، توزیع و جذب بهینه الکترولیت تحت فشار را تضمین می کند. این مرحله به عنوان آماده سازی برای شکل گیری بعدی عمل می کند زیرا در اثر فشار از مناطق غیرفعال الکتروشیمیایی جلوگیری می شود.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑12- الزامات فرایندی مرحله فشرده سازی در تکمیل سلول تخت

پارامتر

الزامات

واحد

زمان ماند فرایند

2-5

S به ازای هر سلول

این فرایند مختص باتری های تخت است.

1-1-3-2- شکل دهی

در شکل زیر شماتیک شکل دهی نشان داده شده است.

شکل ‏5‑16- شماتیک مرحله ی شکل دهی در تکمیل سلول

این بخش اولین فرآیند های شارژ و تخلیه سلول باتری را توصیف می کند. برای شکل دهی، سلولهای تشکیل شده در حاملهای مناسب قرار گرفته و توسط سنجاقهای تماس با فنر تماس می گیرند. سپس سلول ها با توجه به منحنی های جریان و ولتاژ دقیقاً مشخص شده، شارژ یا تخلیه می شوند. در طول شکل دهی، یونهای لیتیوم در ساختار بلوری گرافیت در سمت آند جاسازی می شوند. در اینجا رابط الکترولیت جامد تشکیل شده که یک لایه رابط بین الکترولیت و الکترود را ایجاد می کند.

از جمله پارامترهایی که دراین مرحله باید رعایت شود در زیر ارائه شده است.

جدول ‏5‑13- الزامات فرایندی مرحله فشرده سازی در تکمیل سلول تخت

پارامتر

الزامات

واحد

شارژ اولیه

80-20

%

زمان شکل دهی

حداکثر 24

hr

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

1-1-3-3- گاز زدایی

در شکل زیر شماتیک گاز زدایی نشان داده شده است.

 

شکل ‏5‑17- شماتیک مرحله ی گاز زدایی در تکمیل سلول تخت

برای بسیاری از سلولهای تخت (به خصوص با سلولهای بزرگتر) ، امکان وجود گاز زیادی در طی اولین فرآیند شارژ وجود دارد. حامل های مناسب تحت فشار این گاز را از سلول به داخل یک فضای مرده (کیسه گاز نیز نامیده می شوند) انتقال میدهند. در حین گاز زدایی کیسه گاز در محفظه تحت خلا سوراخ شده و گازها مکش می شوند و سپس سلول بالاخره تحت خلا آب بندی می شود.

این فرایند مختص باتری های تخت است.

1-1-3-4- تست

در شکل زیر شماتیک فرایند تست نشان داده شده است.

شکل ‏5‑18- شماتیک مرحله ی تست در تکمیل سلول

سلول ها قبل از خروج از کارخانه، در یک دکل آزمایش EOL آزمایش می شوند. بسته به سازنده، آزمایش پالس، اندازه گیری مقاومت داخلی، بازرسی های نوری، آزمایش های OCV و آزمایش نشت انجام می شود. بسیاری از تولیدکنندگان سلول پس از آزمایش سلولها را بر اساس داده های عملکردشان (درجه بندی) طبقه بندی می کنند. پس از اتمام موفقیت آمیز آزمایش ها، سلول ها را می توان بسته بندی و حمل کرد.

این فرایند برای هر سه مدل تخت، منشوری و استوانه ای یکسان است.

یک دیدگاه ارسال کنید

ایده خود را ارسال کنید

Fill in the form below to book a 30 min no-obligation consulting session.

I will reply within 24 hours.