Qu'est-ce qui rend les batteries lithium-ion si cruciales dans la technologie moderne ? Le processus de production complexe comprend plus de 50 étapes, de la fabrication des feuilles d'électrodes à la synthèse des cellules et à l'emballage final. Cet article explore ces étapes en détail, en mettant en évidence les machines essentielles et la précision requise à chaque étape. En comprenant ce processus, vous aurez un aperçu des innovations et des défis liés à la création de ces puissantes sources d'énergie, qui alimentent tout, des smartphones aux véhicules électriques. Plongez dans la complexité du processus et découvrez comment chaque composant et chaque procédure jouent un rôle essentiel dans les performances et la sécurité des batteries.
Les batteries lithium-ion sont des systèmes électrochimiques sophistiqués comprenant de multiples composants, notamment des électrodes positives et négatives, des séparateurs, des électrolytes, des collecteurs de courant, des liants et des additifs conducteurs. Leur fonctionnement implique des réactions électrochimiques complexes aux deux électrodes, couplées à des mécanismes de transport d'ions lithium et d'électrons, ainsi qu'à des processus de gestion thermique.
La fabrication des batteries lithium-ion est un processus complexe qui comporte plus de 50 étapes distinctes. Bien que les méthodes de production spécifiques puissent varier légèrement en fonction de la géométrie de la cellule (cylindrique, prismatique ou à poche), la fabrication globale peut être classée en trois étapes principales :
Compte tenu des exigences de sécurité critiques associées aux batteries lithium-ion, l'équipement de fabrication doit respecter des normes strictes de précision, de stabilité et d'automatisation tout au long du cycle de production.
L'équipement de fabrication des batteries au lithium englobe une large gamme de machines spécialisées conçues pour traiter et assembler divers composants, notamment des matériaux d'électrode, des matériaux de séparation et des électrolytes, dans une séquence soigneusement contrôlée. Cet équipement joue un rôle crucial dans la détermination des caractéristiques de performance et des coûts de production des batteries lithium-ion.
Les équipements de fabrication peuvent être classés en fonction des trois principales étapes de production mentionnées précédemment. Dans une chaîne de production typique de batteries lithium-ion, la répartition de la valeur de l'équipement entre ces étapes est d'environ 40% pour l'amont, 30% pour l'intermédiaire et 30% pour l'aval. Cette répartition souligne l'importance d'investir dans des équipements de haute qualité à tous les stades pour garantir une performance et une rentabilité optimales des batteries.
L'objectif du processus frontal est de fabriquer les feuilles d'électrodes positives et négatives. Les principaux processus du processus frontal comprennent le mélange, l'enrobage, le laminage et le découpage, découpe de feuilleset le découpage à l'emporte-pièce. L'équipement utilisé dans ce processus comprend des mélangeurs, des enduiseurs, machines à roulerLes machines à découper, les machines à refendre, les machines à découper les feuilles et les machines à découper à l'emporte-pièce.
Le mélange des matériaux d'électrode (à l'aide d'un mélangeur sous vide) produit une boue en mélangeant uniformément les matériaux de la batterie à l'état solide pour les électrodes positives et négatives avec un solvant. Le mélange des matériaux d'électrodes est le point de départ du processus frontal et constitue la base des processus ultérieurs tels que l'enrobage et le laminage.
L'enrobage (à l'aide d'une machine d'enrobage) est le processus qui consiste à enduire uniformément la boue mélangée sur une feuille de métal, puis à la sécher pour former les feuilles d'électrodes positives et négatives. En tant que processus central de l'étape initiale, la qualité du processus d'enrobage a un impact profond sur la cohérence, la sécurité et la durée de vie de la batterie finie. Par conséquent, la machine d'enrobage est l'équipement le plus précieux du processus frontal.
Le laminage (à l'aide d'une machine à laminer) est le processus qui consiste à compacter davantage la feuille d'électrode enrobée afin d'augmenter la densité énergétique de la batterie. La régularité de la feuille d'électrode après le laminage affecte directement l'efficacité des processus ultérieurs tels que le découpage. L'uniformité de la matière active dans la feuille d'électrode a également une incidence indirecte sur les performances de la batterie.
Principe de la machine à rouler :
Déroulement → Déroulement avec correction → Rouleaux opposés → Enroulement → Enroulement avec correction
Le refendage (à l'aide d'une machine à refendre) est l'opération qui consiste à couper un large rouleau de tôle d'électrode en plusieurs bandes étroites de la largeur requise. Au cours du processus de refendage, la tôle d'électrode subit une force de cisaillement et peut se fracturer, ce qui affecte la qualité des bandes étroites obtenues. La douceur des bords des bandes étroites, y compris l'absence de bavures et de rides, est un facteur clé pour évaluer les performances de la machine à refendre.
Principe de la machine à refendre :
Déroulement → Correction du déroulement → Correction du processus → Traction → Entraînement principal → Enroulement → Correction de l'enroulement.
La découpe de feuilles (à l'aide d'une machine à découper les feuilles) comprend le soudage de languettes sur les bandes étroites de feuilles d'électrodes, la fixation d'un papier protecteur, l'encapsulation des languettes, ou l'utilisation de découpe au laser pour former les languettes. Ces languettes sont utilisées dans le processus d'enroulement suivant. Le découpage (à l'aide d'une machine à découper) consiste à découper les feuilles d'électrodes enrobées dans une forme spécifique pour les utiliser dans les processus suivants.
Principe de la machine à découper :
Déroulement → Estampage → Découpage → Traction → Enroulement.
L'objectif de l'étape intermédiaire de la production de piles au lithium est de fabriquer la cellule. Les différents types de piles au lithium ont des itinéraires techniques et des équipements différents dans le processus de l'étape intermédiaire.
Le processus de l'étape intermédiaire est essentiellement un processus d'assemblage qui implique l'assemblage ordonné des feuilles d'électrodes positives et négatives fabriquées dans le processus initial avec le séparateur et l'électrolyte.
En raison des différentes structures de stockage d'énergie des cellules carrées (à poche), cylindriques (laminées) et à poche, il existe des différences significatives dans les itinéraires techniques et les équipements utilisés dans le processus de l'étape intermédiaire pour les différents types de piles au lithium.
Plus précisément, le processus intermédiaire pour les cellules carrées et cylindriques comprend principalement l'enroulement, l'injection et l'emballage, qui nécessitent des équipements tels que des machines d'enroulement, des machines d'injection et des équipements d'emballage (machines d'insertion de la coque, rouleaux de rainurage, machines de scellage et machines de soudage).
Le processus intermédiaire pour les cellules de poche comprend principalement l'empilage, l'injection et l'emballage, qui nécessitent des équipements tels que des machines d'empilage, des machines d'injection et des équipements d'emballage.
Le bobinage (à l'aide d'une machine à bobiner) est le processus d'enroulement des feuilles d'électrodes produites dans le processus frontal ou des bandes étroites de feuilles d'électrodes fabriquées par une machine de découpage rouleau à rouleau dans la cellule d'une batterie lithium-ion. Ce procédé est principalement utilisé dans la production de batteries lithium-ion carrées et cylindriques.
Les machines à bobiner peuvent être divisées en machines à bobiner carrées et machines à bobiner cylindriques, qui sont utilisées pour la production de batteries lithium-ion carrées et cylindriques, respectivement. Comparé au bobinage cylindrique, le processus de bobinage carré nécessite un contrôle de la tension plus important, ce qui rend la technologie des bobineuses carrées plus difficile.
L'empilage (à l'aide d'une machine d'empilage) est le processus d'empilage des feuilles d'électrodes individuelles fabriquées lors du processus de découpage dans la cellule d'une batterie lithium-ion, principalement utilisé dans la production de cellules à poche.
Par rapport aux piles carrées et cylindriques, les piles à poche présentent des avantages significatifs en termes de densité énergétique, de sécurité et de performance de décharge. Cependant, le processus d'empilage implique de multiples sous-processus et des mécanismes complexes qui doivent fonctionner en parallèle, ce qui rend difficile l'amélioration de l'efficacité de l'empilage par le biais d'un contrôle dynamique complexe.
En revanche, la vitesse d'enroulement et l'efficacité d'une machine à enrouler sont directement liées, et il existe des moyens relativement simples d'accroître l'efficacité. Actuellement, il existe un écart en termes d'efficacité de production et de rendement entre les cellules empilées et les cellules enroulées.
Une machine d'injection est un équipement utilisé pour injecter une quantité précise d'électrolyte dans la cellule d'une batterie lithium-ion.
Principe de la machine à injecter :
Insertion de l'anneau d'électrolyte → Assemblage de la batterie → Injection d'électrolyte dans la batterie → Extraction du vide → Décharge de la batterie.
L'encapsulation des cellules (à l'aide d'équipements d'encapsulation tels que des machines d'insertion de coques, des rouleaux à rainures, des machines à sceller et des machines à souder) est le processus qui consiste à placer la cellule enroulée dans l'enveloppe extérieure d'une batterie au lithium-ion.
Principe de la machine d'insertion de coquilles :
Alimentation des cellules → Alimentation de la feuille d'isolation → Alimentation de la coque → Assemblage → Expédition.
Principe de la machine à rouleaux rainurés :
Chargement → Aspiration de la bande de traction → Ecoulement dans la rainure de laminage → Roulage → Déchargement.
Principe de la machine à sceller :
Recyclage des matériaux → Alimentation → Extraction sous vide → Perforation → Emballage.
Principe du soudage Machine :
Monter le projecteur → Soudage au laser → Déchirer le film de protection → Recueillir la résistance interne de tous les appareils → Vérifier l'étanchéité de tous les appareils.
L'objectif de production du processus final est d'achever la formation et l'emballage de la batterie au lithium-ion. À la fin de l'étape intermédiaire, la structure fonctionnelle de la cellule de la batterie a été formée, et l'importance du processus final est de l'activer et de former une batterie lithium-ion sûre et stable par le biais de tests, de tri et d'assemblage.
Les principaux processus de l'arrière-plan sont la formation, le tri de la capacité, l'essai et le tri, et l'équipement impliqué comprend principalement des machines de chargement et de déchargement et de l'équipement d'essai.
La formation (à l'aide d'un équipement de charge et de décharge) est un processus d'activation de la cellule de la batterie en la chargeant d'abord. Au cours de ce processus, un film efficace d'interface électrolyte solide (SEI) est formé à la surface de l'électrode négative pour initialiser la batterie lithium-ion.
Le triage de la capacité (à l'aide d'un équipement de charge et de décharge) est utilisé pour mesurer la capacité de la cellule de la batterie conformément aux normes de conception après le processus de formation.
La charge et la décharge de la cellule de la batterie est une partie essentielle du processus de formation et de tri de la capacité, ce qui fait de l'équipement de charge et de décharge l'équipement de base le plus couramment utilisé dans le processus final.
L'unité de travail minimale d'une machine de chargement et de déchargement est un "canal", et une "unité" (BOX) est composée de plusieurs "canaux". Plusieurs "unités" combinées ensemble forment une machine de chargement et de déchargement.
Le processus d'essai (à l'aide d'équipements d'essai) est effectué avant et après la charge, la décharge et l'état de repos, tandis que le tri est basé sur les résultats des essais pour classer et sélectionner les batteries après le processus de formation et de tri de la capacité conformément à certaines normes.
L'importance du processus de test et de tri n'est pas seulement d'éliminer les produits défectueux, mais aussi de sélectionner des batteries aux performances similaires, car les cellules sont souvent combinées en parallèle et en série dans l'utilisation réelle, ce qui permet d'optimiser les performances globales de la batterie.
La production de batteries lithium-ion dépend fortement de l'équipement de production de batteries lithium-ion. Outre les matériaux utilisés dans les batteries, le processus de fabrication et l'équipement de production sont des facteurs importants qui déterminent les performances des batteries.
Au début, la Chine dépendait des équipements lithium-ion importés, mais après plusieurs années de développement rapide, les entreprises chinoises d'équipements lithium-ion ont progressivement rattrapé les entreprises d'équipements japonaises et sud-coréennes en termes de technologie, d'efficacité, de stabilité et d'autres aspects.
Les entreprises chinoises présentent également des avantages en termes de rentabilité et de maintenance après-vente.
Actuellement, la Chine a formé un groupe d'entreprises d'équipements lithium-ion, qui sont devenues une carte de visite d'équipements haut de gamme sur le marché international. Avec l'alliance verticale et l'expansion des leaders du lithium-ion et leur production à l'étranger, l'industrie des équipements lithium-ion devrait entrer dans une nouvelle période de croissance rapide grâce à l'expansion en aval de la production.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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