¿Qué hace que las baterías de iones de litio sean tan cruciales en la tecnología moderna? El intrincado proceso de producción implica más de 50 pasos, desde la fabricación de láminas de electrodos hasta la síntesis de células y el envasado final. Este artículo explora estas etapas en detalle, destacando la maquinaria esencial y la precisión necesaria en cada paso. Al comprender este proceso, conocerá mejor las innovaciones y los retos que plantea la creación de estas potentes fuentes de energía, que alimentan desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. Sumérjase en las complejidades y vea cómo cada componente y procedimiento desempeña un papel vital en el rendimiento y la seguridad de las baterías.
Las baterías de iones de litio son sofisticados sistemas electroquímicos formados por múltiples componentes, como electrodos positivos y negativos, separadores, electrolitos, colectores de corriente, aglutinantes y aditivos conductores. Su funcionamiento implica complejas reacciones electroquímicas en ambos electrodos, unidas a mecanismos de transporte de iones de litio y electrones, así como procesos de gestión térmica.
La fabricación de baterías de iones de litio es un proceso complejo que implica más de 50 pasos distintos. Aunque los métodos de producción específicos pueden variar ligeramente en función de la geometría de la célula (cilíndrica, prismática o en bolsa), la fabricación general puede clasificarse a grandes rasgos en tres etapas principales:
Dados los requisitos críticos de seguridad asociados a las baterías de iones de litio, los equipos de fabricación deben cumplir estrictas normas de precisión, estabilidad y automatización durante todo el ciclo de producción.
Los equipos de fabricación de baterías de litio abarcan una amplia gama de maquinaria especializada diseñada para procesar y ensamblar diversos componentes, como materiales para electrodos, materiales para separadores y electrolitos, en una secuencia cuidadosamente controlada. Estos equipos desempeñan un papel crucial a la hora de determinar tanto las características de rendimiento como los costes de producción de las baterías de iones de litio.
Los equipos de fabricación pueden clasificarse según las tres principales etapas de producción mencionadas anteriormente. En una línea típica de producción de baterías de iones de litio, la distribución del valor de los equipos entre estas etapas es de aproximadamente 40% para la etapa inicial, 30% para la etapa intermedia y 30% para los procesos de la etapa final. Esta distribución subraya la importancia de invertir en equipos de alta calidad en todas las etapas para garantizar un rendimiento óptimo de la batería y su rentabilidad.
El objetivo del proceso frontal es fabricar las láminas de electrodos positivos y negativos. Los principales procesos del front-end son la mezcla, el recubrimiento, el laminado y el corte, corte de chapasy el troquelado. El equipo utilizado en este proceso incluye mezcladores, recubridores, máquinas enrolladorasmáquinas de corte longitudinal, máquinas de corte de hojas y máquinas de troquelado.
La mezcla de los materiales de los electrodos (utilizando un mezclador de vacío) produce una pasta mezclando uniformemente los materiales de las pilas de estado sólido para los electrodos positivo y negativo con un disolvente. La mezcla de los materiales de los electrodos es el punto de partida del proceso frontal y constituye la base de los procesos posteriores, como el revestimiento y el laminado.
El revestimiento (con una máquina de revestimiento) es el proceso de recubrir uniformemente el lodo mezclado sobre una lámina metálica y luego secarlo para formar las láminas de electrodos positivo y negativo. La calidad del proceso de revestimiento, que es el proceso central de la fase inicial, influye enormemente en la consistencia, la seguridad y la vida útil de la batería terminada. Por lo tanto, la máquina de revestimiento es el equipo más valioso del proceso frontal.
El laminado (con una laminadora) es el proceso de compactación de la lámina de electrodos revestida para aumentar la densidad energética de la batería. La suavidad de la lámina de electrodos tras el laminado afecta directamente a la eficacia de procesos posteriores como el corte. La uniformidad del material activo en la lámina de electrodos también afecta indirectamente al rendimiento de la pila.
Principio de la máquina laminadora:
Desenrollado → Desenrollado con corrección → Rodillos opuestos → Enrollado → Enrollado con corrección
El corte longitudinal (con una máquina de corte longitudinal) es el proceso de cortar un rollo ancho de chapa de electrodo en varias tiras estrechas de la anchura requerida. Durante el proceso de corte, la chapa de electrodo sufre una fuerza de cizallamiento y puede fracturarse, lo que afecta a la calidad de las tiras estrechas resultantes. La suavidad de los bordes de las tiras estrechas, incluida la ausencia de rebabas y arrugas, es un factor clave para evaluar el rendimiento de la máquina de corte longitudinal.
Principio de la máquina de corte longitudinal:
Desenrollado → Corrección del desenrollado → Corrección del proceso → Tracción → Tracción principal → Enrollado → Corrección del enrollado.
El corte de láminas (con una máquina de corte de láminas) incluye la soldadura de lengüetas en las tiras estrechas de lámina de electrodos, la colocación de papel protector, el encapsulado de las lengüetas o el uso de corte por láser para formar las lengüetas. Estas lengüetas se utilizan en el proceso de bobinado posterior. El troquelado (utilizando una troqueladora) es el proceso de cortar las láminas de electrodos revestidas con una forma específica para su uso en los procesos posteriores.
Principio de la máquina troqueladora:
Desenrollar → Estampar → Troquelar → Tracción → Enrollar.
El objetivo del proceso de la etapa intermedia en la producción de baterías de litio es fabricar la célula. Los diferentes tipos de baterías de litio tienen diferentes rutas técnicas y equipos en el proceso de la etapa intermedia.
El proceso de la etapa intermedia es esencialmente un proceso de ensamblaje que implica el ensamblaje ordenado de las láminas de electrodos positivos y negativos fabricadas en el proceso frontal con el separador y el electrolito.
Debido a las diferentes estructuras de almacenamiento de energía de las pilas cuadradas (de bolsa), cilíndricas (laminadas) y de bolsa, existen diferencias significativas en las rutas técnicas y los equipos utilizados en el proceso de la etapa intermedia para los distintos tipos de pilas de litio.
En concreto, el proceso de la etapa intermedia para las células cuadradas y cilíndricas incluye principalmente el bobinado, la inyección y el envasado, que requieren equipos tales como máquinas de bobinado, máquinas de inyección y equipos de envasado (máquinas de inserción de la cáscara, rodillos de ranura, máquinas de sellado y máquinas de soldadura).
El proceso de la etapa intermedia para las células de bolsa incluye principalmente el apilamiento, la inyección y el envasado, que requieren equipos como máquinas de apilamiento, máquinas de inyección y equipos de envasado.
El bobinado (con una máquina bobinadora) es el proceso de enrollar las láminas de electrodos producidas en el proceso front-end o las tiras estrechas de lámina de electrodos fabricadas por una máquina troqueladora rollo a rollo en la celda de una batería de iones de litio. Este proceso se utiliza principalmente en la producción de baterías de iones de litio cuadradas y cilíndricas.
Las máquinas de bobinado pueden dividirse a su vez en máquinas de bobinado cuadradas y máquinas de bobinado cilíndricas, que se utilizan para la producción de baterías de iones de litio cuadradas y cilíndricas, respectivamente. En comparación con el bobinado cilíndrico, el proceso de bobinado cuadrado requiere un mayor control de la tensión, por lo que la tecnología de las bobinadoras cuadradas es más compleja.
El apilamiento (mediante una máquina apiladora) es el proceso de apilar hojas de electrodos individuales fabricadas en el proceso de troquelado en la celda de una batería de iones de litio, utilizado principalmente en la producción de celdas de bolsa.
En comparación con las celdas cuadradas y cilíndricas, las celdas de bolsa presentan ventajas significativas en cuanto a densidad energética, seguridad y rendimiento de descarga. Sin embargo, el proceso de apilamiento implica múltiples subprocesos y mecanismos complejos que deben funcionar en paralelo, lo que dificulta la mejora de la eficiencia del apilamiento mediante un control dinámico complejo.
En cambio, la velocidad de bobinado y la eficiencia de una máquina bobinadora están directamente relacionadas, y existen formas relativamente sencillas de aumentar la eficiencia. Actualmente, existe una brecha en la eficiencia y el rendimiento de la producción entre las células apiladas y las bobinadas.
Una máquina de inyección es un equipo utilizado para inyectar una cantidad precisa de electrolito en la celda de una batería de iones de litio.
Principio de la máquina de inyección:
Inserción del anillo electrolítico → Montaje de la batería → Inyección de electrolito en la batería → Extracción al vacío → Descarga de la batería.
La encapsulación de la célula (utilizando equipos de encapsulación como máquinas de inserción de carcasas, rodillos de ranura, máquinas de sellado y máquinas de soldadura) es el proceso de colocación de la célula enrollada en la carcasa exterior de una batería de iones de litio.
Principio de la máquina de inserción de cáscaras:
Alimentación de células → Alimentación de láminas aislantes → Alimentación de carcasas → Montaje → Envío.
Principio de la máquina de rodillos acanalados:
Carga → Aspiración de la cinta de tracción → Flujo hacia la ranura de enrollado → Enrollado → Descarga.
Principio de la máquina selladora:
Reciclado del material → Alimentación → Extracción al vacío → Punzonado → Envasado.
Principio de la soldadura Máquina:
Monte el accesorio → Soldadura láser → Arranque la película protectora → Recoja la resistencia interna de todas las unidades → Compruebe la estanqueidad de todas las unidades.
El objetivo de producción del proceso back-end es completar la formación y el embalaje de la batería de iones de litio. Al final del proceso de la fase intermedia, la estructura funcional de la célula de la batería ya está formada, y la importancia del proceso final es activarla y formar una batería de iones de litio segura y estable mediante pruebas, clasificación y montaje.
Los principales procesos de la parte posterior del proceso incluyen la formación, la clasificación de la capacidad, las pruebas y la clasificación, y los equipos implicados incluyen principalmente máquinas de carga y descarga y equipos de prueba.
La formación (mediante equipos de carga y descarga) es un proceso de activación de la célula de la batería cargándola primero. Durante este proceso, se forma una película eficaz de interfaz de electrolito sólido (SEI) en la superficie del electrodo negativo para inicializar la batería de iones de litio.
La clasificación por capacidad (mediante equipos de carga y descarga) se utiliza para medir la capacidad de la célula de la batería de acuerdo con las normas de diseño tras el proceso de formación.
La carga y descarga de la célula de la batería es una parte esencial del proceso de formación y clasificación de la capacidad, lo que hace que los equipos de carga y descarga sean los equipos básicos más utilizados en el proceso de back-end.
La unidad mínima de trabajo de una máquina de carga y descarga es un "canal", y una "unidad" (CAJA) se compone de varios "canales". Varias "unidades" combinadas forman una máquina de carga y descarga.
El proceso de prueba (mediante equipos de prueba) se lleva a cabo antes y después de la carga, la descarga y el estado de reposo, mientras que la clasificación se basa en los resultados de las pruebas para clasificar y seleccionar las baterías tras el proceso de clasificación de formación y capacidad de acuerdo con determinadas normas.
La importancia del proceso de prueba y clasificación no sólo radica en eliminar los productos defectuosos, sino también en seleccionar baterías con un rendimiento similar, ya que las celdas suelen combinarse en paralelo y en serie en el uso real, lo que ayuda a optimizar el rendimiento general de la batería.
La producción de baterías de iones de litio depende en gran medida del equipo de producción de baterías de iones de litio. Además de los materiales utilizados en las baterías, el proceso de fabricación y los equipos de producción son factores importantes que determinan el rendimiento de las baterías.
Al principio, China dependía de los equipos de iones de litio importados, pero tras varios años de rápido desarrollo, las empresas chinas de equipos de iones de litio han alcanzado gradualmente a las japonesas y surcoreanas en cuanto a tecnología, eficiencia, estabilidad y otros aspectos.
Las empresas chinas también tienen ventajas en términos de rentabilidad y mantenimiento posventa.
En la actualidad, China ha formado un conglomerado de empresas de equipos de iones de litio, y se han convertido en una tarjeta de presentación de equipos de gama alta que entran en el mercado internacional. Con la alianza vertical y la expansión de los líderes de iones de litio y su producción en el extranjero, se espera que la industria de equipos de iones de litio entre en un nuevo periodo de rápido crecimiento debido a la expansión descendente de la producción.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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