Новости

Современное и будущее производство литий-ионных аккумуляторов
2022-10-29

Литий-ионные аккумуляторы (LIB) стали одним из основных решений для хранения энергии в современном обществе. Области применения и доля рынка LIB быстро возросли и продолжают демонстрировать устойчивую тенденцию к росту. Исследования материалов LIB достигли огромных успехов. Многие инновационные материалы были приняты и коммерциализированы отраслью. Однако исследования производства LIB отстают. Многие исследователи аккумуляторов могут не знать точно, как производятся LIB и как различные этапы влияют на стоимость, потребление энергии и производительность, что препятствует инновациям в производстве аккумуляторов. Здесь, в этой перспективной статье, мы представляем передовую технологию производства и анализируем стоимость, производительность и потребление энергии на основе производственных процессов. Затем мы рассматриваем ход исследований, уделяя особое внимание дорогостоящим, энергозатратным и требующим времени этапам производства LIB. Наконец, мы делимся своими взглядами на проблемы в производстве LIB и предлагаем будущие направления развития для производственных исследований в области LIB.

Предметные области

Электрохимическое хранение энергии
Промышленная химия
Хранение энергии
Промышленная обработка материалов
Энергетические материалы

Введение

Литий-ионные аккумуляторы (LIB) широко используются в портативной электронике, электромобилях и сетевых накопителях благодаря их высокой плотности энергии, высокой плотности мощности и длительному сроку службы. С тех пор как Уиттингем открыл интеркаляционные электроды в 1970-х годах, Гуденаф и др. разработали некоторые ключевые катодные материалы (слоистые, шпинельные и полианионные) в 1980-х и 1990-х годах, а Ёсино создал первый безопасный, пригодный для производства LIB с комбинацией LiCoO 2 в качестве катода и углерода/графита в качестве анода, был достигнут значительный прогресс в LIB с точки зрения стоимости, плотности энергии, плотности мощности, безопасности и срока службы (Whittingham, 1976; Mizushima et al., 1980; Thackeray et al., 1983; Padhi et al., 1997). Например, стоимость LIB снизилась с более чем $1000/кВт·ч в начале 2000-х до ∼$200/кВт·ч в настоящее время. В то же время удельная плотность энергии LIB за последние десятилетия увеличилась с 150 Вт·ч/кг до ∼300 Вт·ч/кг. Хотя помимо LIB были предложены и разработаны твердотельные батареи (SSB), натрий-ионные батареи, литий-серные батареи, литий-воздушные батареи и многовалентные батареи, LIB, скорее всего, по-прежнему будут доминировать на рынке, по крайней мере, в течение следующих 10 лет.

В настоящее время большинство исследований LIB сосредоточены на различных активных электродных материалах и подходящих электролитах для приложений с высоким напряжением отсечки, особенно на катодных материалах с высоким содержанием никеля и/или без кобальта, а также на анодных материалах из металла Si или Li и связанных с ними электролитах. Прогресс в производстве LIB отстает, и не было достигнуто большого прогресса, хотя производство составляет около 25% от стоимости LIB (Kwade et al., 2018). В настоящее время производство LIB по-прежнему должно проходить через смешивание суспензии, нанесение покрытия, сушку, каландрирование, резку, вакуумную сушку, изготовление рулонов желе (укладка для ячеек в пакетах и намотка для цилиндрических и призматических ячеек), сварку, упаковку, заполнение электролитом, формирование и старение, многоступенчатый процесс, принятый в промышленности.

В этой перспективной статье мы сначала оцениваем каждый этап текущего производственного процесса и анализируем их вклад в стоимость, потребление энергии и влияние пропускной способности на все производство LIB. Затем мы суммируем недавний прогресс в развитии производства LIB, а также проблемы и потенциальное влияние этих новых технологий. Наконец, мы представляем наши взгляды на будущее производство LIB. Мы надеемся, что такая статья поможет продвинуть большее сотрудничество между академическими кругами и промышленностью с конечной целью решить некоторые ключевые проблемы производства LIB, что в конечном итоге может привести к повышению эффективности производства и снижению стоимости и потребления энергии LIB.

Текущие процессы производства LIB

Индустрия LIB изначально разработала метод производства для потребительских электронных батарей, и большинство зрелых технологий были перенесены в современное производство батарей. Хотя производители LIB имеют разные конструкции ячеек, включая цилиндрические (например, Panasonic, разработанные для Tesla), пакетные (например, LG Chem, A123 Systems и SK innovation) и призматические (например, Samsung SDI и CATL), процессы производства ячеек очень похожи.

Рисунок 1 представляет современный процесс производства аккумуляторов, который включает три основные части: подготовку электродов, сборку ячеек и электрохимическую активацию аккумулятора. Сначала активный материал (АМ), проводящая добавка и связующее вещество смешиваются с растворителем для образования однородной суспензии. Для катода обычно используется N-метилпирролидон (НМП) для растворения связующего вещества, поливинилиденфторида (ПВДФ), а для анода связующее вещество из стирол-бутадиенового каучука (СБК) растворяется в воде с карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ). Затем суспензия закачивается в щелевую матрицу, покрывается с обеих сторон токосъемником (алюминиевая фольга для катода и медная фольга для анода) и доставляется в сушильное оборудование для испарения растворителя. Обычный органический растворитель (НМП) для катодной суспензии токсичен и имеет строгие нормы выбросов. Таким образом, для производства катода во время сушки необходим процесс восстановления растворителя, а восстановленный NMP повторно используется в производстве аккумуляторов с потерями 20–30 % (Ahmed et al., 2016). Для анодной суспензии на водной основе безвредный пар может быть напрямую выпущен в окружающую среду. Следующий процесс каландрирования может помочь отрегулировать физические свойства (связь, проводимость, плотность, пористость и т. д.) электродов. После всех этих процессов готовые электроды штампуются и разрезаются до требуемых размеров, чтобы соответствовать конструкции ячейки. Затем электроды отправляются в вакуумную печь для удаления избытка воды. Уровень влажности электродов будет проверяться после сушки, чтобы гарантировать, что побочная реакция и коррозия в ячейке сведены к минимуму.

Рисунок 1. Схема производственных процессов LIB

После того, как электроды хорошо подготовлены, их отправляют в сухую комнату с высушенными сепараторами для производства ячеек. Электроды и сепаратор наматываются или укладываются слой за слоем, чтобы сформировать внутреннюю структуру ячейки. Алюминиевые и медные язычки привариваются к катодному и анодному токосъемнику соответственно. Наиболее распространенным методом сварки является ультразвуковая сварка, и некоторые производители могут выбрать контактную сварку для своей конструкции ячейки. Затем пакет ячеек переносится в разработанный корпус, который в настоящее время не имеет единого стандарта. У каждого производителя есть свои предпочтения в зависимости от назначения ячеек. Корпус заполняется электролитом перед окончательной герметизацией и завершает производство ячейки.

Перед поставкой ячеек производителям конечной продукции к этим ячейкам применяются этапы электрохимической активации для обеспечения стабильности работы. Стабильный слой твердого электролита (SEI) может предотвратить необратимое потребление электролита и защитить анод от перенапряжения во время быстрой зарядки, что может привести к образованию дендритов Li (Li et al., 2019). Процесс формирования и старения начинается с зарядки ячеек до относительно низкого напряжения (например, 1,5 В) для защиты медного токосъемника от коррозии, за которым следует сеанс отдыха для смачивания электролитом. Ячейки заряжаются/разряжаются при низкой скорости, например C/20, а затем скорость будет постепенно увеличиваться для обеспечения стабильного слоя SEI на поверхности анода (Wood et al., 2019). Газ, образующийся в процессе формирования, необходимо сбрасывать по соображениям безопасности. После или во время циклов формирования ячейки хранятся на полках старения для полного смачивания электролитом и стабилизации SEI. Еще один этап дегазации организуется перед окончательной герметизацией ячеек для будущих применений. В зависимости от протокола формирования и температуры старения этот этап обычно длится несколько недель.

Оценка стоимости, производительности и энергопотребления для этих этапов производства имеет решающее значение для определения этапов, которые требуют наибольшего количества исследований и инноваций. Поэтому больше исследовательских усилий можно сосредоточить на этих темах. Таблица 1 и Рисунок 2 А показывают разбивку стоимости производства, рассчитанную с помощью модели BatPac из Аргоннской национальной лаборатории. Модель была основана на 67-Ач LiNi 0,6 Mn 0,2 Co 0,2 O 2 (NMC622)/графитовой ячейке, 100 000 аккумуляторных батарей для электромобилей/год ( Nelson et al., 2019 ). Покрытие электродов, сушка, формирование ячеек и старение составили 48% от всей стоимости производства. Эти высокие капитальные вложения и трудоемкие процессы являются наиболее неотложными областями, которые необходимо изучить. Экономия затрат будет значительной, если лабораторные инновации можно будет перенести в эти производственные процессы.



Потрясающе! Поделиться с: 

Похожие записи