Рынок персональных электромобилей (ЭМ) десять лет назад, возможно, не существовал. Сегодня ландшафт транспортной отрасли выглядит совсем иначе и сталкивается с будущим, подпитываемым электричеством. Согласно недавнему отчету Международного энергетического агентства, в 2020 году в Европе было зарегистрировано в общей сложности 1,4 миллиона автомобилей с электрическим приводом, что составляет 10% от общего объема продаж транспортных средств.

В Китае и США этот показатель составил 6% и 2% соответственно. Несколько факторов можно объяснить этим значительным ростом промышленности и увеличением числа людей, покупающих электромобили. К этим факторам относятся государственная политика, которая может поддержать альтернативные энергетические технологии, а также больший запас хода и мощность новых моделей электромобилей.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы   являются движущей силой революции электромобилей. Этот электрохимический элемент является источником энергии для батареи, которая состоит из анодных и катодных материалов, поддерживаемых электролитом, часто содержащим гексафторфосфат лития ( _LiPF6 ) со смесью органических карбонатных растворителей, электродов, несущих заряд, и сепаратора.

Этот сепаратор обеспечивает миграцию ионов лития между анодом и катодом во время процесса заряда и разряда батареи. За последние 20 лет были достигнуты инженерные усовершенствования, которые увеличили плотность энергии ячейки, гарантируя, что все меньший контейнер может содержать больше энергии.

В сочетании с автоматизированными методами точного массового производства эти усовершенствования конструкции стали причиной снижения цен на литий-ионные аккумуляторы на 89% за последние десять лет. ²

Производство литий-ионных аккумуляторов для электромобилей предъявило новые требования к производителям, хотя процесс производства литий-ионных аккумуляторов, предназначенных для малой бытовой электроники, хорошо отлажен. ³

Марк Локк, заведующий кафедрой производственной инженерии компонентов электромобилей в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена, отмечает, что, хотя оборудование и рабочие процессы схожи, «автомобильные элементы требуют более качественных батарей и элементов управления, чем более мелкие устройства».

Сотни отдельных ячеек, соединенных вместе, составляют единый литий-ионный аккумулятор EV. Точность имеет важное значение, и всего один дефект в одной ячейке может привести к снижению производительности и вызвать внутренние короткие замыкания, что может привести к возгоранию легковоспламеняющегося электролита батареи.

Эндрю Янсен, инженер-химик и руководитель группы по анализу клеток, моделированию и прототипированию (CAMP) в Аргоннской национальной лаборатории, прокомментировал: «Внутренние короткие замыкания в ячейках — это то, что не дает инженерам по батареям спать по ночам. Это колоссальное количество энергии в небольшом пространстве».

Процессы производства аккумуляторов должны соответствовать строгим порогам точности и включать анализы контроля качества, совместимые с высокопроизводительной автоматизированной производственной линией, чтобы гарантировать, что литий-ионные аккумуляторы для электромобилей соответствуют требованиям безопасности и производительности.   Контроль качества   Ключом к успеху является качество производства, и на то, чтобы привести аккумулятор в рабочее состояние для проведения этих испытаний производительности, уходят дни.

Производство литий-ионных аккумуляторов требует трех основных этапов, каждый из которых состоит из нескольких отдельных шагов. Эти этапы производства практически не имеют права на ошибку. Например, стандартные допуски на толщину электродной пленки могут быть всего лишь ±2 мкм. ³

Линии производства литий-ионных аккумуляторов для электромобилей в значительной степени автоматизированы для достижения таких узких порогов. Для оценки качества и достижения точности эти системы автоматизации включают набор аналитических приборов на производственной линии и измерения, выполняемые после производства.

По словам Джункичи Азумы, менеджера по промышленным приложениям в Sartorius, помимо обеспечения достаточной точности, инструменты, используемые на таких производственных линиях, должны быть достаточно прочными и высокочувствительными, чтобы выдерживать высокую скорость производственной линии. Эти системы, как и сам производственный процесс, полностью автоматизированы и, следовательно, оснащены для обеспечения гибкого контроля над этапами производства или распознавания дефектов качества.

Проверки производительности, такие как мониторинг стабильности выходного напряжения, можно проводить только после полной сборки аккумуляторной батареи.

Подготовка электродов

Подготовка каждого электрода, называемого анодом и катодом, является первым этапом производства литий-ионных аккумуляторов.

Раздельное смешивание занимает место пульп анодных и катодных компонентов. Обычно анодная пульпа содержит полимерные связующие, другие добавки и очищенную воду в качестве растворителя, а также графит в качестве анодного материала.

Катодная суспензия обычно содержит слоистый оксидный материал, включающий кобальт, никель и марганец (NMC) для литий-ионных аккумуляторов электромобилей.

Для диспергирования оксида NMC со связующими веществами и добавками используется растворитель N -метилпирролидинон (NMP).

Используется производственная линия, через которую подаются длинные листы медной и алюминиевой фольги. Электродные пульпы осаждаются в виде тонких пленок на листах фольги. Для анода и катода, соответственно, токосъемниками служат токопроводящие медная и алюминиевая фольги. ³

Пленки сушатся после нанесения покрытия, используя градиент нагрева, который сводит к минимуму растрескивание, отслаивание и другие деформации пленок ^{. 3, 4}

В процессе, называемом каландрированием, листы затем пропускаются через тяжелые ролики. Для достижения оптимальной пористости для активных электродов этот шаг сжимает высушенные пленки.

Затем листы на несколько часов переносятся в вакуумную сушильную камеру для удаления оставшейся влаги. Для этой части процесса типичная скорость производственной линии может достигать 50 м/мин. ³

Контроль качества: оптический контроль

Основным методом контроля качества электродов является   визуальный осмотр.

Учитывая скорость, с которой происходит сборка электродов, человеческий контроль невозможен.

Локк комментирует: «Чаще всего проводят визуальные проверки с использованием систем камер и устройств обнаружения линий».

Например, оптические камеры могут проверять электродные пленки на предмет наличия макроскопических дефектов, таких как трещины и неровности по краям пленок.

Такие оптические инструменты, по словам Локка, оснащены компьютерами с алгоритмами, которые могут отмечать эти дефекты. Кроме того, рентгеновская визуализация может контролировать, точно ли анодные и катодные пленки совмещены друг с другом в ячейке во время сборки.