Proceso de formación de baterías de iones de litio

Introducción

Las baterías de iones de litio son las fuentes de energía comunes en la mayoría de los dispositivos y vehículos eléctricos portátiles. Esta tecnología de batería se caracteriza por una mayor densidad de energía. La investigación está en curso con un enfoque para aumentar aún más la densidad de energía de estas baterías, donde muchos científicos están desarrollando y mejorando materiales de cátodo y materiales de ánodo para alto voltaje y alta densidad de energía. Al mismo tiempo, los científicos están buscando varias formas de reducir los costos de producción de baterías de iones de litio sin sacrificar el rendimiento de la celda, especialmente para aplicaciones de vehículos eléctricos.

Actualmente, están sucediendo muchas cosas sobre la tecnología de las baterías de iones de litio. Dado que numerosos dispositivos utilizan esta tecnología de batería, nos gustaría saber cómo se fabrican estas baterías. La información sobre la formación de baterías de iones de litio es interesante, sobre todo porque se trata de la última tecnología de baterías.

El proceso de fabricación de las baterías de iones de litio es algo similar a los procesos utilizados en la producción de celdas de níquel cadmio y celdas de hidruro metálico de níquel, pero existen algunas diferencias clave asociadas con la mayor reactividad de los productos químicos utilizados en las celdas de litio. Siga leyendo para descubrir más sobre cómo se fabrican las baterías de iones de litio.

¿Cómo se fabrican las baterías de litio?

La producción de la batería de iones de litio consta de tres procesos principales; fabricación de electrodos, ensamblaje de celdas y acabado de celdas. El proceso de formación de la batería de litio suele tardar varios días o más, y esto es necesario para proporcionar una interfase de electrolito sólido estable en el ánodo para evitar el consumo irreversible del electrolito y los iones de litio. Una capa análoga conocida como capa de interfase de electrolito del cátodo se forma en el cátodo a potenciales altos frente a Li / Li +.

Veamos tres procesos principales involucrados en la fabricación de baterías de litio.

1. Fabricación de electrodos

Es importante tener en cuenta que los ánodos y los cátodos de las celdas de litio tienen una forma similar y se fabrican mediante procesos similares o equipos idénticos. La fabricación de electrodos también puede denominarse revestimiento de electrodos. En este proceso, los materiales de los electrodos activos se recubren en ambos lados de láminas metálicas que en esta etapa actúan como colectores de corriente que conducen la corriente dentro y fuera de la celda. El ánodo generalmente está hecho de carbono, mientras que el cátodo es un óxido de metal de litio. Estos materiales tienen que ser suministrados a fábrica principalmente en forma de pólvora negra, y si no se tiene mucho cuidado, se ven casi indistinguibles entre sí. La contaminación entre el ánodo y los materiales del cátodo debe evitarse a toda costa ya que arruinará la batería. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado para evitar que estos materiales entren en contacto entre sí. Esto explica la razón por la que los ánodos y los cátodos se procesan en diferentes salas.

Se debe prestar gran atención al tamaño de partícula para asegurar que se mantenga al mínimo para lograr el área de superficie efectiva máxima de los electrodos necesaria para celdas de alta corriente. Además, la forma de la partícula es importante. Por lo general, las formas esféricas lisas con bordes redondeados se consideran más deseables en comparación con los bordes afilados o las superficies escamosas que son susceptibles a una mayor tensión eléctrica y la descomposición de la capa SEI pasivante del ánodo, lo que puede conducir a la generación de grandes cantidades de calor e incluso posible fugitivo térmico cuando las células están en uso.

Las láminas metálicas para electrodos se suministran en bobinas grandes, donde el cobre es para el ánodo y el aluminio para el cátodo. Luego, las bobinas se montan directamente en las máquinas de recubrimiento donde la lámina se desenrolla y se coloca en la máquina a través de rodillos de precisión.

Primero, los materiales de los electrodos se mezclan con un aglutinante conductor para formar una suspensión que luego se esparce sobre la superficie de la hoja a medida que pasa a la máquina. El grosor de las capas de revestimiento debe establecerse para permitir que el almacenamiento de energía por unidad del ánodo y los electrodos del cátodo coincidan.

A continuación, la hoja revestida se introduce directamente en un horno de secado largo para hornear el material del electrodo sobre la hoja. A medida que la lámina recubierta sale del horno, se vuelve a enrollar. Las láminas rebobinadas se introducen en máquinas de corte donde se cortan en tiras más estrechas que son adecuadas para diferentes tamaños de electrodos. Luego se cortan a medida.

2. Ensamblaje de celdas

El segundo proceso en la fabricación de baterías de litio es el ensamblaje de la celda. Esta prueba se puede realizar en equipos altamente automatizados o mediante métodos de ensamblaje manual.

La primera etapa de este proceso es construir el subconjunto de electrodos mediante el cual el separador se coloca entre el ánodo y el cátodo. A menudo, se utilizan dos estructuras básicas de electrodos según el tipo de carcasa de celda que se vaya a utilizar; una estructura apilada para usar en celdas prismáticas y una estructura enrollada en espiral para usar en celdas cilíndricas.

· Células prismáticas

Las celdas prismáticas son la opción preferida para aplicaciones de baterías de alta capacidad para optimizar el uso del espacio. Estas celdas utilizan una estructura de electrodos apilados en la que el ánodo y las láminas del cátodo se cortan en placas individuales y se apilan alternativamente y se mantienen separados por el separador. El separador generalmente se aplica en una tira larga enrollada en forma de zigzag con electrodos alternos en la pila.

Este diseño de caja hace un uso óptimo del espacio cuando se usa en un paquete de baterías, pero requiere múltiples placas de electrodos que deben sujetarse de cierta manera para conectar todos los ánodos juntos y mantener el poste terminal y un mecanismo de sujeción similar para los cátodos. . Esto aumenta la complejidad y el contenido de mano de obra de la celda y, en última instancia, los costes.

· Células cilíndricas

Para el diseño cilíndrico, las láminas de ánodo y cátodo se cortan en dos tiras largas que se enrollan en un mandril cilíndrico, junto con el separador que las mantiene separadas. Por lo tanto, puede ver que las celdas cilíndricas tienen solo dos tiras de electrodos, lo que simplifica considerablemente la construcción.

Cada electrodo se conecta a su terminal correspondiente mediante una sola pestaña. Sin embargo, las celdas de alta potencia pueden tener múltiples pestañas colocadas a lo largo de los bordes para que la tira de electrodos lleve las corrientes más altas.

La estructura del electrodo se conecta a los terminales junto con cualquier dispositivo de seguridad y luego se inserta en la lata. Luego, la lata se sella en un proceso de calentamiento o soldadura láser, dejando una abertura para inyectar el electrolito en la lata.

Luego, la celda se llena con un electrolito y se sella. Esto debe hacerse en una habitación seca para evitar que se produzca una reacción entre el electrolito y el agua.

La celda completa recibe una identificación con una etiqueta.

Ciclos de formación rápidos para baterías de iones de litio

Esto sucede una vez que se completa el ensamblaje de la celda. El ciclo de formación rápido significa que la celda pasa por al menos un ciclo de carga / descarga controlado con precisión que está destinado a activar los materiales de trabajo, transformándolos así en su forma funcional. El proceso de carga comienza con un voltaje bajo que se acumula gradualmente, en lugar de la curva de carga normal de corriente constante - voltaje que usamos en nuestras baterías de litio. Por eso se llama ciclismo de formación rápida.

Para casi todas las químicas del litio, este proceso implica la creación de la interfaz de electrolito sólido (SEI) en el ánodo. SEI es una capa pasivante que es esencial para moderar el proceso de carga en condiciones de uso normal.

Durante el proceso de formación, los datos sobre el rendimiento de la celda, como la capacidad y la impedancia, se recopilan y registran para el análisis de calidad y la trazabilidad.

¿Teoría y pruebas de final de vida útil de las baterías de iones de litio?

Casi todos los dispositivos electrónicos portátiles utilizan baterías de iones de litio. Al mismo tiempo, el número de vehículos eléctricos está aumentando, por lo que es necesario tener una estrategia bien definida para el final de la vida útil de las baterías.

El proceso de formación permite que un porcentaje significativo de fallas tempranas de la vida útil de la celda debido a defectos de fabricación ocurran en la planta del fabricante y no en las instalaciones del cliente. Los controles de proceso estrictos son esenciales durante todo el proceso de fabricación.

Las regulaciones ambientales, como las directivas de fin de vehículo, requieren que los fabricantes de automóviles asuman una mayor responsabilidad por sus vehículos y componentes después de su uso. Requiere que los fabricantes de automóviles recuperen sus productos para reutilizarlos, reciclarlos y refabricarlos o delegar esta responsabilidad a un tercero.

El reciclaje se ha propuesto en muchas publicaciones como la estrategia para el final de la vida útil de las baterías de iones de litio.

Conclusión

Ahora ha aprendido cómo se fabrican las baterías de iones de litio. La fabricación tarda varios días o más. La fabricación de esta tecnología de batería implica tres procesos; fabricación de electrodos, ensamblaje de celdas y acabado de celdas. El ensamblaje de la celda y el acabado de la celda no se pueden separar. Los procesos deben realizarse con cuidado para evitar la contaminación de los materiales.