O que torna as baterias de íon-lítio tão importantes na tecnologia moderna? O intrincado processo de produção envolve mais de 50 etapas, desde a fabricação da folha do eletrodo até a síntese da célula e a embalagem final. Este artigo explora esses estágios em detalhes, destacando o maquinário essencial e a precisão necessária em cada etapa. Ao compreender esse processo, você terá uma visão das inovações e dos desafios na criação dessas poderosas fontes de energia, que alimentam tudo, desde smartphones até veículos elétricos. Mergulhe nas complexidades e veja como cada componente e procedimento desempenha um papel vital no desempenho e na segurança da bateria.
As baterias de íons de lítio são sistemas eletroquímicos sofisticados que compreendem vários componentes, incluindo eletrodos positivos e negativos, separadores, eletrólitos, coletores de corrente, aglutinantes e aditivos condutores. Sua operação envolve reações eletroquímicas complexas em ambos os eletrodos, acopladas a mecanismos de transporte de íons de lítio e elétrons, bem como processos de gerenciamento térmico.
A fabricação de baterias de íons de lítio é um processo complexo que envolve mais de 50 etapas distintas. Embora os métodos de produção específicos possam variar um pouco, dependendo da geometria da célula (cilíndrica, prismática ou bolsa), a fabricação geral pode ser categorizada em três estágios principais:
Devido aos requisitos críticos de segurança associados às baterias de íons de lítio, o equipamento de fabricação deve seguir padrões rigorosos de precisão, estabilidade e automação durante todo o ciclo de produção.
O equipamento de fabricação de baterias de lítio abrange uma ampla gama de máquinas especializadas projetadas para processar e montar vários componentes, incluindo materiais de eletrodos, materiais de separação e eletrólitos, em uma sequência cuidadosamente controlada. Esse equipamento desempenha um papel fundamental na determinação das características de desempenho e dos custos de produção das baterias de íon-lítio.
O equipamento de fabricação pode ser classificado de acordo com os três principais estágios de produção mencionados anteriormente. Em uma linha de produção típica de baterias de íon-lítio, a distribuição do valor dos equipamentos nesses estágios é de aproximadamente 40% para o front-end, 30% para o estágio intermediário e 30% para os processos de back-end. Essa distribuição ressalta a importância de se investir em equipamentos de alta qualidade em todos os estágios para garantir o desempenho ideal da bateria e a relação custo-benefício.
O objetivo do processo de front-end é fabricar as folhas de eletrodos positivos e negativos. Os principais processos no processo front-end incluem mistura, revestimento, laminação e corte, corte de chapase corte e vinco. O equipamento usado nesse processo inclui misturadores, revestidores, máquinas de laminaçãomáquinas de corte, máquinas de corte de chapas e máquinas de corte e vinco.
A mistura dos materiais do eletrodo (usando um misturador a vácuo) produz uma pasta misturando uniformemente os materiais da bateria de estado sólido para os eletrodos positivo e negativo com um solvente. A mistura dos materiais do eletrodo é o ponto de partida do processo front-end e é a base para os processos subsequentes, como revestimento e laminação.
O revestimento (usando uma máquina de revestimento) é o processo de revestir uniformemente a pasta misturada em uma folha de metal e depois secá-la para formar as folhas de eletrodos positivos e negativos. Como o processo principal do estágio de front-end, a qualidade do processo de revestimento tem um impacto profundo na consistência, segurança e vida útil da bateria acabada. Portanto, a máquina de revestimento é o equipamento mais valioso no processo de front-end.
A laminação (usando uma máquina de laminação) é o processo de compactar ainda mais a folha de eletrodo revestida para aumentar a densidade de energia da bateria. A suavidade da folha do eletrodo após a laminação afeta diretamente a eficácia dos processos subsequentes, como o corte. A uniformidade do material ativo na folha do eletrodo também afeta indiretamente o desempenho da bateria.
Princípio da máquina de laminação:
Desenrolamento → Desenrolamento com correção → Rolos opostos → Enrolamento → Enrolamento → Enrolamento com correção
O corte longitudinal (usando uma máquina de corte longitudinal) é o processo de cortar um rolo largo de folha de eletrodo em várias tiras estreitas da largura necessária. Durante o processo de corte, a chapa do eletrodo é submetida à força de cisalhamento e pode se fraturar, afetando a qualidade das tiras estreitas resultantes. A suavidade das bordas das tiras estreitas, incluindo a ausência de rebarbas e rugas, é um fator fundamental para avaliar o desempenho da máquina de corte.
Princípio da máquina de corte:
Desenrolamento → Correção de desenrolamento → Correção do processo → Tração → Acionamento principal → Enrolamento → Correção de enrolamento.
O corte de chapas (usando uma máquina de corte de chapas) inclui a soldagem de abas nas tiras estreitas da chapa do eletrodo, a fixação de papel protetor, o encapsulamento das abas ou o uso de corte a laser para formar as abas. Essas abas são usadas no processo de enrolamento subsequente. O corte de matriz (usando uma máquina de corte de matriz) é o processo de cortar as folhas de eletrodos revestidos em um formato específico para uso nos processos subsequentes.
Princípio da máquina de corte e vinco:
Desenrolamento → Estampagem → Corte e vinco → Tração → Enrolamento.
O objetivo do processo de estágio intermediário na produção de baterias de lítio é fabricar a célula. Diferentes tipos de baterias de lítio têm diferentes rotas técnicas e equipamentos no processo de estágio intermediário.
O processo de estágio intermediário é essencialmente um processo de montagem que envolve a montagem ordenada das folhas de eletrodos positivos e negativos feitas no processo de front-end com o separador e o eletrólito.
Devido às diferentes estruturas de armazenamento de energia das células quadradas (pouch), cilíndricas (laminadas) e pouch, há diferenças significativas nas rotas técnicas e nos equipamentos usados no processo de estágio intermediário para diferentes tipos de baterias de lítio.
Especificamente, o processo de estágio intermediário para células quadradas e cilíndricas inclui principalmente enrolamento, injeção e embalagem, o que exige equipamentos como máquinas de enrolamento, máquinas de injeção e equipamentos de embalagem (máquinas de inserção de cascas, rolos de ranhura, máquinas de vedação e máquinas de solda).
O processo de estágio intermediário das células de pouch inclui principalmente empilhamento, injeção e embalagem, que exigem equipamentos como máquinas de empilhamento, máquinas de injeção e equipamentos de embalagem.
Enrolamento (usando uma máquina de enrolamento) é o processo de enrolar as folhas de eletrodo produzidas no processo front-end ou as tiras estreitas de folha de eletrodo feitas por uma máquina de corte e vinco rolo a rolo na célula de uma bateria de íon-lítio. Esse processo é usado principalmente na produção de baterias de íons de lítio quadradas e cilíndricas.
As máquinas de enrolamento podem ser divididas em máquinas de enrolamento quadradas e máquinas de enrolamento cilíndricas, que são usadas para a produção de baterias de íon-lítio quadradas e cilíndricas, respectivamente. Em comparação com o enrolamento cilíndrico, o processo de enrolamento quadrado exige maior controle de tensão, o que torna a tecnologia das máquinas de enrolamento quadrado mais desafiadora.
O empilhamento (usando uma máquina de empilhamento) é o processo de empilhar folhas de eletrodos individuais feitas no processo de corte e vinco na célula de uma bateria de íons de lítio, usado 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 de energia, segurança e desempenho de descarga. No entanto, o processo de empilhamento envolve vários subprocessos e mecanismos complexos que devem funcionar em paralelo, o que torna difícil melhorar a eficiência do empilhamento por meio de um controle dinâmico complexo.
Em contrapartida, a velocidade de enrolamento e a eficiência de uma máquina de enrolamento estão diretamente ligadas, com maneiras relativamente simples de aumentar a eficiência. Atualmente, há uma lacuna na eficiência e no rendimento da produção entre células empilhadas e enroladas.
Uma máquina de injeção (usando uma máquina de injeção) é um equipamento usado para injetar uma quantidade precisa de eletrólito na célula de uma bateria de íons de lítio.
Princípio da máquina de injeção:
Inserção do anel de eletrólito → Montagem da bateria → Injeção de eletrólito na bateria → Extração a vácuo → Descarga da bateria.
O encapsulamento da célula (usando equipamentos de encapsulamento, como máquinas de inserção de conchas, rolos de ranhura, máquinas de vedação e máquinas de solda) é o processo de colocar a célula enrolada no invólucro externo de uma bateria de íons de lítio.
Princípio da máquina de inserção de conchas:
Alimentação da célula → Alimentação da folha de isolamento → Alimentação da casca → Montagem → Envio.
Princípio da máquina de rolos ranhurados:
Carregamento → Sucção da fita de puxar → Fluxo para a ranhura de enrolamento → Enrolamento → Descarga.
Princípio da máquina seladora:
Reciclagem de material → Alimentação → Extração a vácuo → Punção → Embalagem.
Princípio da soldagem Máquina:
Monte o dispositivo de fixação → Soldagem a laser → Retire a película protetora → Colete a resistência interna de todas as unidades → Verifique a estanqueidade de todas as unidades.
A meta de produção do processo de back-end é concluir a formação e a embalagem da bateria de íons de lítio. Ao final do processo de estágio intermediário, a estrutura funcional da célula da bateria foi formada, e a importância do processo de back-end é ativá-la e formar uma bateria de íons de lítio segura e estável por meio de testes, classificação e montagem.
Os principais processos do processo de back-end incluem formação, classificação de capacidade, teste e classificação, e os equipamentos envolvidos incluem principalmente máquinas de carga e descarga e equipamentos de teste.
A formação (usando equipamento de carga e descarga) é um processo de ativação da célula da bateria, primeiro carregando-a. Durante esse processo, um filme eficaz de interface de eletrólito sólido (SEI) é formado na superfície do eletrodo negativo para inicializar a bateria de íons de lítio.
A classificação da capacidade (usando equipamento de carga e descarga) é usada para medir a capacidade da célula da bateria de acordo com os padrões de projeto após o processo de formação.
Carregar e descarregar a célula da bateria é uma parte essencial do processo de formação e classificação de capacidade, o que torna o equipamento de carga e descarga o equipamento principal mais comumente usado no processo de back-end.
A unidade mínima de trabalho de uma máquina de carga e descarga é um "canal", e uma "unidade" (CAIXA) é composta de vários "canais". Várias "unidades" combinadas formam uma máquina de carga e descarga.
O processo de teste (usando equipamento de teste) é realizado antes e depois da carga, da descarga e do estado ocioso, enquanto a classificação é baseada nos resultados do teste para classificar e selecionar as baterias após o processo de formação e classificação de capacidade de acordo com determinados padrões.
A importância do processo de teste e classificação não é apenas eliminar produtos defeituosos, mas também selecionar baterias com desempenho semelhante, pois as células são frequentemente combinadas em paralelo e em série no uso real, o que ajuda a otimizar o desempenho geral da bateria.
A produção de baterias de íons de lítio depende muito do equipamento de produção de baterias de íons de lítio. Além dos materiais usados nas baterias, o processo de fabricação e o equipamento de produção são fatores importantes que determinam o desempenho da bateria.
No início, a China dependia de equipamentos de íon-lítio importados, mas, após vários anos de rápido desenvolvimento, as empresas chinesas de equipamentos de íon-lítio gradualmente alcançaram as empresas de equipamentos japonesas e sul-coreanas em termos de tecnologia, eficiência, estabilidade e outros aspectos.
As empresas chinesas também têm vantagens em termos de custo-benefício e manutenção pós-venda.
Atualmente, a China formou um grupo de empresas de equipamentos de íon-lítio e elas se tornaram um cartão de visita de equipamentos de ponta que entra no mercado internacional. Com a aliança vertical e a expansão dos líderes de íons de lítio e sua produção no exterior, espera-se que o setor de equipamentos de íons de lítio entre em um novo período de rápido crescimento devido à expansão da produção a jusante.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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