Was macht Lithium-Ionen-Batterien so wichtig für die moderne Technik? Der komplizierte Produktionsprozess umfasst mehr als 50 Schritte, von der Herstellung der Elektrodenplatten über die Zellsynthese bis zur Endverpackung. In diesem Artikel werden diese Schritte im Detail untersucht, wobei die wesentlichen Maschinen und die für jeden Schritt erforderliche Präzision hervorgehoben werden. Wenn Sie diesen Prozess verstehen, erhalten Sie einen Einblick in die Innovationen und Herausforderungen bei der Herstellung dieser leistungsstarken Energiequellen, die vom Smartphone bis zum Elektrofahrzeug alles antreiben. Tauchen Sie ein in die Komplexität und sehen Sie, wie jede Komponente und jedes Verfahren eine entscheidende Rolle für die Leistung und Sicherheit der Batterien spielt.
Lithium-Ionen-Batterien sind ein komplexes System, das positive und negative Elektroden, Separatoren, Elektrolyte, Stromsammler, Bindemittel, Leitmittel und vieles mehr umfasst.
Zu den Reaktionen, die an ihrer Herstellung beteiligt sind, gehören elektrochemische Reaktionen der positiven und negativen Elektroden, die Lithiumionen- und Elektronenleitung sowie die thermische Diffusion.
Die Herstellung von Lithiumbatterien ist ein langwieriger Prozess, an dem über 50 Schritte beteiligt sind.
Lithiumbatterien können nach ihrer Form unterschieden werden, z. B. zylindrische, quadratische und Pouch-Zellen, und ihre Produktionsverfahren unterscheiden sich leicht. Der Gesamtprozess kann jedoch in drei Stufen unterteilt werden: den Front-End-Prozess (Herstellung der Elektrodenblätter), den Middle-Stage-Prozess (Zellsynthese) und den Back-End-Prozess (Formierung und Verpackung).
Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen für Lithium-Ionen-Batterien sind Präzision, Stabilität und Automatisierung bei der Herstellung von Lithiumanlagen sehr gefragt.
Eine Lithiumanlage ist eine verfahrenstechnische Anlage, die zur Herstellung von positiven und negativen Elektrodenmaterialien, Separatormaterialien, Elektrolyten und anderen Materialien in einem geordneten Prozess verwendet wird.
Die Lithium-Ausrüstung hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung und die Kosten von Lithium-Ionen-Batterien und ist einer der entscheidenden Faktoren. Abhängig von den verschiedenen Herstellungsprozessen können Lithium-Ausrüstungen in Front-End-, Middle-Stage- und Back-End-Ausrüstungen unterteilt werden, wobei das Wertverhältnis in der Produktionslinie für Lithium-Ionen-Batterien etwa 4:3:3 beträgt.
Das Ziel des Front-End-Prozesses ist die Herstellung der positiven und negativen Elektrodenblätter. Zu den wichtigsten Prozessen im Front-End-Verfahren gehören Mischen, Beschichten, Walzen und Schneiden, Bogenschneidenund Stanzen. Zu den in diesem Prozess verwendeten Geräten gehören Mischer, Beschichter, Abrollmaschinen, Schneidemaschinen, Bogenschneidemaschinen und Stanzmaschinen.
Beim Mischen der Elektrodenmaterialien (mit einem Vakuummischer) wird eine Aufschlämmung erzeugt, indem die Festkörperbatteriematerialien für die positiven und negativen Elektroden gleichmäßig mit einem Lösungsmittel vermischt werden. Das Mischen der Elektrodenmaterialien ist der Ausgangspunkt des Front-End-Prozesses und bildet die Grundlage für nachfolgende Prozesse wie Beschichtung und Walzen.
Beim Beschichten (mit einer Beschichtungsmaschine) wird die gemischte Aufschlämmung gleichmäßig auf eine Metallfolie aufgetragen und anschließend getrocknet, um die positiven und negativen Elektrodenblätter zu bilden. Als Kernprozess der Front-End-Phase hat die Qualität des Beschichtungsprozesses einen großen Einfluss auf die Konsistenz, Sicherheit und Lebensdauer der fertigen Batterie. Daher ist die Beschichtungsmaschine das wichtigste Gerät im Front-End-Prozess.
Beim Walzen (mit einer Walzmaschine) wird das beschichtete Elektrodenblech weiter verdichtet, um die Energiedichte der Batterie zu erhöhen. Die Glätte des Elektrodenblechs nach dem Walzen wirkt sich direkt auf die Wirksamkeit nachfolgender Prozesse wie das Schneiden aus. Auch die Gleichmäßigkeit des aktiven Materials in der Elektrodenfolie wirkt sich indirekt auf die Leistung der Batterie aus.
Das Prinzip der Walzmaschine:
Abrollen → Abrollen mit Korrektur → Gegenläufige Rollen → Aufrollen → Aufrollen mit Korrektur
Beim Schneiden (mit einer Schneidemaschine) wird eine breite Rolle Elektrodenblech in mehrere schmale Streifen mit der gewünschten Breite geschnitten. Während des Schneidens wird das Elektrodenblech einer Scherkraft ausgesetzt und kann brechen, was die Qualität der entstehenden schmalen Streifen beeinträchtigt. Die Glattheit der Kanten der Schmalbänder, einschließlich der Abwesenheit von Graten und Falten, ist ein Schlüsselfaktor für die Bewertung der Leistung der Spaltmaschine.
Das Prinzip der Schneidemaschine:
Abrollen → Abrollkorrektur → Prozesskorrektur → Traktion → Hauptantrieb → Aufrollen → Aufrollkorrektur.
Das Schneiden von Blechen (mit einer Blechschneidemaschine) umfasst das Aufschweißen von Laschen auf die schmalen Streifen des Elektrodenblechs, das Anbringen von Schutzpapier, das Einkapseln der Laschen oder die Verwendung von Laserschneiden um die Laschen zu bilden. Diese Laschen werden für den anschließenden Wickelprozess verwendet. Beim Stanzen (mit einer Stanzmaschine) werden die beschichteten Elektrodenblätter in eine bestimmte Form geschnitten, die in den nachfolgenden Prozessen verwendet wird.
Das Prinzip der Stanzmaschine:
Abrollen → Stanzen → Stanzen → Ziehen → Aufrollen.
Das Ziel der mittleren Prozessstufe in der Lithiumbatterieproduktion ist die Herstellung der Zelle. Die verschiedenen Arten von Lithiumbatterien haben unterschiedliche technische Wege und Ausrüstungen in der mittleren Prozessstufe.
Der Prozess der mittleren Stufe ist im Wesentlichen ein Montageprozess, bei dem die im Front-End-Prozess hergestellten positiven und negativen Elektrodenbleche mit dem Separator und dem Elektrolyten ordnungsgemäß zusammengefügt werden.
Aufgrund der unterschiedlichen Energiespeicherstrukturen von quadratischen (Pouch-), zylindrischen (gerollten) und Pouch-Zellen gibt es bei den verschiedenen Lithiumbatterietypen erhebliche Unterschiede in den technischen Abläufen und Ausrüstungen der mittleren Prozessstufe.
Im Einzelnen umfasst der Prozess der mittleren Stufe für quadratische und zylindrische Zellen hauptsächlich das Wickeln, Einspritzen und Verpacken, wofür Ausrüstungen wie Wickelmaschinen, Einspritzmaschinen und Verpackungsausrüstungen (Schaleneinsetzmaschinen, Rillenwalzen, Versiegelungsmaschinen und Schweißmaschinen) erforderlich sind.
Der Zwischenschritt bei der Herstellung von Beutelzellen umfasst hauptsächlich das Stapeln, Einspritzen und Verpacken, wofür Geräte wie Stapelmaschinen, Einspritzmaschinen und Verpackungsanlagen erforderlich sind.
Beim Wickeln (mit einer Wickelmaschine) werden die im Front-End-Verfahren hergestellten Elektrodenblätter oder die mit einer Rolle-zu-Rolle-Stanzmaschine hergestellten schmalen Elektrodenblattstreifen in die Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie gewickelt. Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei der Herstellung von quadratischen und zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt.
Wickelmaschinen können weiter unterteilt werden in quadratische Wickelmaschinen und zylindrische Wickelmaschinen, die für die Herstellung von quadratischen bzw. zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Im Vergleich zur zylindrischen Wicklung erfordert der quadratische Wickelprozess eine stärkere Kontrolle der Spannung, was die Technologie für quadratische Wickelmaschinen zu einer größeren Herausforderung macht.
Das Stapeln (mit Hilfe einer Stapelmaschine) ist der Prozess des Stapelns einzelner Elektrodenblätter, die im Stanzverfahren hergestellt werden, in die Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie, der hauptsächlich bei der Herstellung von Pouch-Zellen verwendet wird.
Im Vergleich zu quadratischen und zylindrischen Zellen haben Pouch-Zellen erhebliche Vorteile hinsichtlich Energiedichte, Sicherheit und Entladeleistung. Der Stapelprozess umfasst jedoch mehrere Teilprozesse und komplexe Mechanismen, die parallel ablaufen müssen, was die Verbesserung der Stapeleffizienz durch eine komplexe dynamische Steuerung schwierig macht.
Im Gegensatz dazu sind die Wickelgeschwindigkeit und die Effizienz einer Wickelmaschine direkt miteinander verbunden, und es gibt relativ einfache Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz. Derzeit besteht eine Lücke in der Produktionseffizienz und -ausbeute zwischen gestapelten und gewickelten Zellen.
Eine Injektionsmaschine ist ein Gerät, mit dem eine präzise Menge Elektrolyt in die Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie eingespritzt wird.
Das Prinzip der Einspritzmaschine:
Einsetzen des Elektrolytrings → Zusammenbau der Batterie → Einspritzen des Elektrolyts in die Batterie → Vakuumextraktion → Entladen der Batterie.
Beim Verkapseln der Zellen (mit Hilfe von Verkapselungsgeräten wie Schaleneinsetzmaschinen, Rillenwalzen, Versiegelungsmaschinen und Schweißmaschinen) wird die gewickelte Zelle in das Außengehäuse einer Lithium-Ionen-Batterie eingesetzt.
Prinzip der Schaleneinsetzmaschine:
Zellenzuführung → Isolierplattenzuführung → Schalenzuführung → Montage → Versand.
Das Prinzip der Rillenwalzenmaschine:
Einlegen → Ansaugen des Zugbandes → Einfließen in die Rollrille → Rollen → Entladen.
Das Prinzip der Versiegelungsmaschine:
Materialrecycling → Zuführung → Vakuumextraktion → Durchstich → Verpackung.
Das Prinzip des Schweißens Maschine:
Montieren Sie die Halterung →. Laserschweißen → Schutzfolie abreißen → Innenwiderstand aller Geräte erfassen → Luftdichtheit aller Geräte prüfen.
Das Produktionsziel des Back-End-Prozesses besteht darin, die Formierung und Verpackung der Lithium-Ionen-Batterie abzuschließen. Am Ende der mittleren Prozessstufe ist die funktionale Struktur der Batteriezelle gebildet worden, und die Bedeutung des Back-End-Prozesses besteht darin, sie zu aktivieren und eine sichere und stabile Lithium-Ionen-Batterie durch Testen, Sortieren und Montieren zu bilden.
Zu den wichtigsten Prozessen des Back-End-Prozesses gehören die Formierung, die Kapazitätssortierung, die Prüfung und die Sortierung, und zu den beteiligten Geräten gehören hauptsächlich Beschickungs- und Entladungsmaschinen und Prüfgeräte.
Bei der Formation (mit Hilfe von Lade- und Entladegeräten) wird die Batteriezelle zunächst durch Aufladen aktiviert. Während dieses Prozesses bildet sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ein effektiver Festelektrolyt-Grenzflächenfilm (SEI), der die Lithium-Ionen-Batterie initialisiert.
Die Kapazitätssortierung (mit Hilfe von Lade- und Entladegeräten) wird verwendet, um die Kapazität der Batteriezelle gemäß den Konstruktionsstandards nach dem Formierungsprozess zu messen.
Das Laden und Entladen der Batteriezelle ist ein wesentlicher Bestandteil des Formierungs- und Kapazitätssortierungsprozesses, weshalb Lade- und Entladegeräte die am häufigsten verwendeten Kerngeräte im Back-End-Prozess sind.
Die kleinste Arbeitseinheit einer Lade- und Entlademaschine ist ein "Kanal", und eine "Einheit" (BOX) besteht aus mehreren "Kanälen". Mehrere "Einheiten" bilden zusammen eine Lade- und Entlademaschine.
Das Prüfverfahren (mit Hilfe von Prüfgeräten) wird vor und nach dem Laden, Entladen und im Ruhezustand durchgeführt, während die Sortierung auf der Grundlage der Prüfergebnisse erfolgt, um die Batterien nach dem Formations- und Kapazitätssortierverfahren gemäß bestimmten Normen zu klassifizieren und auszuwählen.
Die Bedeutung des Prüf- und Sortierverfahrens liegt nicht nur darin, fehlerhafte Produkte auszusondern, sondern auch darin, Batterien mit ähnlicher Leistung auszuwählen, da die Zellen in der Praxis oft parallel und in Reihe kombiniert werden, was zur Optimierung der Gesamtleistung der Batterie beiträgt.
Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien hängt in hohem Maße von den Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Batterien ab. Neben den in den Batterien verwendeten Materialien sind auch der Herstellungsprozess und die Produktionsanlagen wichtige Faktoren, die die Leistung der Batterien bestimmen.
In der Anfangszeit war China auf importierte Lithium-Ionen-Anlagen angewiesen, aber nach mehreren Jahren schneller Entwicklung haben chinesische Lithium-Ionen-Anlagenunternehmen allmählich mit japanischen und südkoreanischen Anlagenherstellern in Bezug auf Technologie, Effizienz, Stabilität und andere Aspekte gleichgezogen.
Chinesische Unternehmen haben auch Vorteile bei der Kosteneffizienz und der Wartung nach dem Verkauf.
Gegenwärtig hat sich in China eine Gruppe von Unternehmen für Lithium-Ionen-Ausrüstung gebildet, die zu einer Visitenkarte für High-End-Ausrüstung auf dem internationalen Markt geworden ist. Mit der vertikalen Allianz und der Expansion der führenden Lithium-Ionen-Unternehmen und ihrer Produktion in Übersee wird erwartet, dass die Lithium-Ionen-Ausrüstungsindustrie aufgrund der nachgelagerten Produktionserweiterung in eine neue Phase schnellen Wachstums eintreten wird.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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