O que torna as baterias de iões de lítio tão importantes na tecnologia moderna? O intrincado processo de produção envolve mais de 50 etapas, desde o fabrico de folhas de eléctrodos até à síntese de células e à embalagem final. Este artigo explora estas fases em pormenor, destacando a maquinaria essencial e a precisão necessária em cada passo. Ao compreender este processo, ficará com uma ideia das inovações e dos desafios na criação destas poderosas fontes de energia, que alimentam tudo, desde smartphones a veículos eléctricos. Mergulhe nas complexidades e veja como cada componente e procedimento desempenha um papel vital no desempenho e na segurança da bateria.
As baterias de iões de lítio são sistemas electroquímicos sofisticados que compreendem múltiplos componentes, incluindo eléctrodos positivos e negativos, separadores, electrólitos, colectores de corrente, aglutinantes e aditivos condutores. O seu funcionamento envolve reacções electroquímicas complexas em ambos os eléctrodos, associadas a mecanismos de transporte de iões de lítio e de electrões, bem como a processos de gestão térmica.
O fabrico de baterias de iões de lítio é um processo complexo que envolve mais de 50 etapas distintas. Embora os métodos de produção específicos possam variar ligeiramente em função da geometria da célula (cilíndrica, prismática ou de bolsa), o fabrico global pode ser categorizado em três fases principais:
Dados os requisitos críticos de segurança associados às baterias de iões de lítio, o equipamento de fabrico tem de cumprir normas rigorosas de precisão, estabilidade e automatização ao longo do ciclo de produção.
O equipamento de fabrico de baterias de lítio engloba uma vasta gama de máquinas especializadas concebidas para processar e montar vários componentes, incluindo materiais de eléctrodos, materiais de separação e electrólitos, numa sequência cuidadosamente controlada. Este equipamento desempenha um papel crucial na determinação das características de desempenho e dos custos de produção das baterias de iões de lítio.
O equipamento de fabrico pode ser classificado de acordo com as três principais fases de produção mencionadas anteriormente. Numa linha de produção típica de baterias de iões de lítio, a distribuição do valor do equipamento por estas fases é de aproximadamente 40% para o front-end, 30% para a fase intermédia e 30% para os processos back-end. Esta distribuição sublinha a importância de investir em equipamento de alta qualidade em todas as fases para garantir um desempenho ótimo da bateria e uma boa relação custo-eficácia.
O objetivo do processo de front-end é fabricar as folhas de eléctrodos positivos e negativos. Os principais processos no processo de front-end incluem a mistura, o revestimento, a laminagem e o corte, corte de chapae corte e vinco. O equipamento utilizado neste processo inclui misturadores, revestidores, máquinas laminadorasmáquinas de corte, máquinas de corte de chapa e máquinas de corte e vinco.
A mistura dos materiais dos eléctrodos (utilizando um misturador de vácuo) produz uma pasta misturando uniformemente os materiais da bateria de estado sólido para os eléctrodos positivo e negativo com um solvente. A mistura dos materiais dos eléctrodos é o ponto de partida do processo front-end e é a base para os processos subsequentes, como o revestimento e a laminagem.
O revestimento (utilizando uma máquina de revestimento) é o processo de revestir uniformemente a pasta misturada sobre uma folha de metal e depois secá-la para formar as folhas de eléctrodos positivos e negativos. Como o processo central da fase de front-end, a qualidade do processo de revestimento tem um impacto profundo na consistência, segurança e vida útil da bateria acabada. Por isso, a máquina de revestimento é o equipamento mais valioso no processo de front-end.
A laminagem (utilizando uma máquina de laminagem) é o processo de compactar ainda mais a folha de elétrodo revestida para aumentar a densidade energética da bateria. A suavidade da folha de elétrodo após a laminagem afecta diretamente a eficácia dos processos subsequentes, como o corte. A uniformidade do material ativo na folha de eléctrodos também afecta indiretamente o desempenho da bateria.
Princípio da máquina de laminação:
Desenrolamento → Desenrolamento com correção → Rolos opostos → Enrolamento → Enrolamento com correção
O corte longitudinal (utilizando uma máquina de corte longitudinal) é o processo de cortar um rolo largo de chapa de eléctrodos em várias tiras estreitas com a largura necessária. Durante o processo de corte, a folha de elétrodo é submetida a uma força de cisalhamento e pode fraturar, afectando a qualidade das tiras estreitas resultantes. A suavidade dos bordos das tiras estreitas, incluindo a ausência de rebarbas e rugas, é um fator-chave na avaliação do desempenho da máquina de corte longitudinal.
Princípio da máquina de corte:
Desenrolamento → Correção do desenrolamento → Correção do processo → Tração → Acionamento principal → Enrolamento → Correção do enrolamento.
O corte de chapas (utilizando uma máquina de corte de chapas) inclui a soldagem de linguetas nas tiras estreitas da chapa do elétrodo, a fixação de papel protetor, o encapsulamento das linguetas ou a utilização de corte a laser para formar as abas. Estas abas são utilizadas no processo de enrolamento subsequente. O corte e vinco (utilizando uma máquina de corte e vinco) é o processo de corte das folhas de eléctrodos revestidos numa forma específica para utilização nos processos subsequentes.
Princípio da máquina de corte e vinco:
Desenrolamento → Estampagem → Corte e vinco → Tração → Enrolamento.
O objetivo do processo da fase intermédia na produção de baterias de lítio é fabricar a célula. Diferentes tipos de baterias de lítio têm diferentes rotas técnicas e equipamentos no processo da fase intermédia.
O processo da fase intermédia é essencialmente um processo de montagem que envolve a montagem ordenada das folhas de eléctrodos positivos e negativos fabricadas no processo da fase inicial com o separador e o eletrólito.
Devido às diferentes estruturas de armazenamento de energia das células quadradas (pouch), cilíndricas (laminadas) e pouch, existem diferenças significativas nas rotas técnicas e no equipamento utilizado no processo da fase intermédia para os diferentes tipos de baterias de lítio.
Especificamente, o processo da fase intermédia para as células quadradas e cilíndricas inclui principalmente o enrolamento, a injeção e a embalagem, que requerem equipamento como máquinas de enrolamento, máquinas de injeção e equipamento de embalagem (máquinas de inserção de conchas, rolos de ranhuras, máquinas de selagem e máquinas de soldar).
O processo da fase intermédia das células de bolsa inclui principalmente o empilhamento, a injeção e a embalagem, que requerem equipamento como máquinas de empilhamento, máquinas de injeção e equipamento de embalagem.
O enrolamento (utilizando uma máquina de enrolar) é o processo de enrolar as folhas de eléctrodos produzidas no processo front-end ou as tiras estreitas de folhas de eléctrodos feitas por uma máquina de corte e vinco rolo a rolo na célula de uma bateria de iões de lítio. Este processo é utilizado principalmente na produção de baterias de iões de lítio quadradas e cilíndricas.
As máquinas de enrolamento podem ser divididas em máquinas de enrolamento quadradas e máquinas de enrolamento cilíndricas, que são utilizadas para a produção de baterias de iões de lítio quadradas e cilíndricas, respetivamente. Em comparação com o enrolamento cilíndrico, o processo de enrolamento quadrado exige um maior controlo da tensão, o que torna a tecnologia das máquinas de enrolamento quadrado mais difícil.
O empilhamento (utilizando uma máquina de empilhamento) é o processo de empilhar folhas de eléctrodos individuais feitas no processo de corte e vinco na célula de uma bateria de iões de lítio, utilizado principalmente na produção de células de bolsa.
Em comparação com as células quadradas e cilíndricas, as células de bolsa têm vantagens significativas em termos de densidade energética, segurança e desempenho de descarga. No entanto, o processo de empilhamento envolve múltiplos subprocessos e mecanismos complexos que têm de funcionar em paralelo, o que torna difícil melhorar a eficiência do empilhamento através de um controlo dinâmico complexo.
Em contrapartida, a velocidade de enrolamento e a eficiência de uma máquina de enrolamento estão diretamente ligadas, com formas relativamente simples de aumentar a eficiência. Atualmente, existe uma diferença na eficiência e no rendimento da produção entre as células empilhadas e as células enroladas.
Uma máquina de injeção (utilizando uma máquina de injeção) é uma peça de equipamento utilizada para injetar uma quantidade precisa de eletrólito na célula de uma bateria de iões de lítio.
Princípio da máquina de injeção:
Inserção do anel de eletrólito → Montagem da bateria → Injeção de eletrólito na bateria → Extração por vácuo → Descarga da bateria.
O encapsulamento de células (utilizando equipamento de encapsulamento, como máquinas de inserção de invólucros, rolos de ranhura, máquinas de selagem e máquinas de soldar) é o processo de colocação da célula enrolada no invólucro exterior de uma bateria de iões de lítio.
Princípio da máquina de inserção de conchas:
Alimentação da célula → Alimentação da folha de isolamento → Alimentação da casca → Montagem → Expedição.
Princípio da máquina de rolos ranhurados:
Carregamento → Sucção da fita de tração → Fluxo para a ranhura de enrolamento → Enrolamento → Descarga.
Princípio da máquina de selagem:
Reciclagem de materiais → Alimentação → Extração em vácuo → Punção → Embalagem.
Princípio da soldadura Máquina:
Montar o aparelho → Soldadura a laser → Retirar a película de proteção → Recolher a resistência interna de todas as unidades → Verificar a estanquidade do ar de todas as unidades.
O objetivo de produção do processo de back-end é completar a formação e a embalagem da bateria de iões de lítio. No final do processo da fase intermédia, a estrutura funcional da célula da bateria foi formada, e o significado do processo de back-end é activá-la e formar uma bateria de iões de lítio segura e estável através de testes, classificação e montagem.
Os principais processos do processo back-end incluem a formação, a seleção da capacidade, o ensaio e a seleção, e o equipamento envolvido inclui principalmente máquinas de carga e descarga e equipamento de ensaio.
A formação (utilizando equipamento de carga e descarga) é um processo de ativação da célula da bateria, carregando-a primeiro. Durante este processo, forma-se uma película eficaz de interface de eletrólito sólido (SEI) na superfície do elétrodo negativo para inicializar a bateria de iões de lítio.
A classificação da capacidade (utilizando equipamento de carga e descarga) é utilizada para medir a capacidade da célula da bateria de acordo com as normas de conceção após o processo de formação.
Carregar e descarregar a célula da bateria é uma parte essencial do processo de formação e classificação da capacidade, o que torna o equipamento de carga e descarga o equipamento central mais utilizado no processo back-end.
A unidade mínima de trabalho de uma máquina de carga e descarga é um "canal", e uma "unidade" (CAIXA) é composta por vários "canais". Várias "unidades" combinadas formam uma máquina de carga e descarga.
O processo de teste (utilizando equipamento de teste) é efectuado antes e depois do carregamento, descarregamento e estado de inatividade, enquanto a triagem se baseia nos resultados dos testes para classificar e selecionar as baterias após o processo de formação e triagem da capacidade de acordo com determinadas normas.
A importância do processo de teste e triagem não é apenas eliminar produtos defeituosos, mas também selecionar baterias com desempenho semelhante, uma vez que as células são frequentemente combinadas em paralelo e em série na utilização real, o que ajuda a otimizar o desempenho global da bateria.
A produção de baterias de iões de lítio depende em grande medida do equipamento de produção de baterias de iões de lítio. Para além dos materiais utilizados nas baterias, o processo de fabrico e o equipamento de produção são factores importantes que determinam o desempenho das baterias.
Nos primeiros tempos, a China dependia de equipamento de iões de lítio importado, mas após vários anos de rápido desenvolvimento, as empresas chinesas de equipamento de iões de lítio alcançaram gradualmente as empresas de equipamento japonesas e sul-coreanas em termos de tecnologia, eficiência, estabilidade e outros aspectos.
As empresas chinesas também têm vantagens em termos de relação custo-eficácia e de manutenção pós-venda.
Atualmente, a China formou um grupo de empresas de equipamento de iões de lítio, que se tornaram um cartão de visita de equipamento topo de gama que entra no mercado internacional. Com a aliança vertical e a expansão dos líderes do ião de lítio e a sua produção no estrangeiro, espera-se que a indústria de equipamento de ião de lítio entre num novo período de rápido crescimento devido à expansão da produção a jusante.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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