Komplexní analýza lithiových baterií: od základů k výrobě, struktuře, procesům, aplikacím a průmyslovým trendům

Lithiové baterie jsou již dlouho „energetickým jádrem“ napříč odvětvími, jako je spotřební elektronika, nová energetická vozidla, systémy pro skladování energie a dokonce i ekonomika v-nízkých nadmořských výškách. Od malých zařízení, jako jsou mobilní telefony a notebooky, až po velká-zařízení, jako jsou elektromobily a elektrárny na ukládání energie, jejich výkon přímo určuje odolnost, úroveň bezpečnosti a životnost zařízení. Tento článek komplexně rozebírá tuto kritickou energetickou komponentu, pokrývá její základní složení, srovnání výhod a nevýhod, klasifikační systém, odbornou terminologii, pravidla pojmenování a také celý výrobní proces a průmyslové postupy a odhaluje pro vás technická tajemství lithiových baterií.

I. Složení jádra lithiových baterií: Synergie mezi „srdcem“ a „mozkem“

Stabilní provoz lithiové baterie závisí na synergii dvou hlavních systémů: „dodávky energie“ a „kontroly bezpečnosti“. Konkrétně jej lze rozdělit na dvě části: bateriový článek a ochrannou desku (neboli BMS), z nichž každá má nezastupitelnou funkci.

1. Bateriový článek: „Energetické srdce“ lithiových baterií

Bateriový článek je jádrem pro ukládání a uvolňování elektrické energie, ekvivalentní „srdci“ lithiové baterie. Jeho výkon přímo určuje hustotu energie, životnost a bezpečnost baterie. Bateriový článek se skládá hlavně z 5 klíčových součástí:

Materiál katody: „Zdroj“ výdeje energie, který při vybíjení uvolňuje ionty lithia. Mezi běžné materiály patří oxid lithný a kobaltnatý (LiCoO₂, používaný ve spotřební elektronice, jako jsou mobilní telefony a notebooky, s vysokonapěťovou platformou, ale slabou bezpečností), fosforečnan lithný (LiFePO₄, používaný v akumulátorech energie a elektrických vozidlech, s vysokou bezpečností a dlouhou životností), ternární lithium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂), vozidla s vysokou hustotou lithia, vysokonapěťová elektrická energie (LiMn₂O₄, používaný v elektrickém nářadí, s nízkou cenou, ale špatnou stabilitou při vysokých-teplotách).

Materiál anody: „Sklad“ pro skladování energie, který během nabíjení adsorbuje ionty lithia a během vybíjení je posílá zpět ke katodě. V současné době je hlavním proudem grafit (s nízkou cenou a dobrou stabilitou, který představuje více než 90 % trhu s anodovými materiály). Nová generace anod na bázi křemíku- (s teoretickou kapacitou více než 10krát větší než grafitová) je postupně komercializována, zatímco lithiové kovové anody jsou stále ve fázi výzkumu a vývoje kvůli problémům s dendritem.

Elektrolyt: „Kanál“ pro migraci lithných iontů, obvykle složený ze soli lithia (např. LiPF₆, poskytující ionty lithia), organických rozpouštědel (např. uhličitany, rozpouštějící soli lithia) a přísad (zlepšující životnost a bezpečnost). Její čistota a stabilita přímo ovlivňuje výkon při vysokých a nízkých{5}}teplotách a úroveň bezpečnosti baterie. Například nadměrná vlhkost bude reagovat se solemi lithia za vzniku škodlivých plynů, což způsobí potenciální bezpečnostní rizika.

Oddělovač: "Bezpečnostní bariéra" mezi katodou a anodou, porézní polymerní film (většinou polyethylen PE a polypropylen PP). Může nejen zabránit přímému kontaktu a zkratu mezi katodou a anodou, ale také umožnit průchod iontů lithia. Vysoce kvalitní separátory musí mít jednotnou velikost pórů, dostatečnou mechanickou pevnost a chemickou stabilitu. Při vysokých teplotách mohou také blokovat přenos iontů prostřednictvím „efektu vypnutí“, aby se zabránilo tepelnému úniku.

Schránka: „Ochranný kryt“ bateriového článku, rozdělený podle tvaru na hliníkové pouzdro (prizmatické baterie, např. baterie mobilních telefonů), ocelové pouzdro (válcové baterie, např. 18650) a hliníkovou-plastovou kompozitní fólii (baterie sáčky, např. tenké mobilní telefony a nositelná zařízení). Plášť musí mít vlastnosti odolné proti výbuchu, -vysokým{4}}teplotám a korozi-a zároveň musí být co nejlehčí, aby se zlepšila energetická hustota baterie.

2. Ochranná deska: „Bezpečnostní mozek“ lithiových baterií

Je-li „energetickým srdcem“ článek baterie, je ochranná deska „bezpečnostním mozkem“, který je zodpovědný za sledování stavu nabíjení a vybíjení baterie, aby se předešlo rizikům, jako je přebití, nadměrné{0}}vybití a zkrat. Ochranná deska napájecích baterií se obvykle nazývá Battery Management System (BMS) se složitější strukturou, zatímco ochranná deska spotřebitelských baterií (jako jsou baterie mobilních telefonů) je relativně zjednodušená. Mezi základní komponenty patří:

Ochranný čip/manažerský čip: Základní řídicí jednotka, která-v reálném čase sleduje napětí, proud a teplotu baterie. Když jsou detekovány abnormality (např. přebití napětím přesahujícím 4,2 V, nadměrné vybití napětím nižším než 3,0 V), spustí se ochranný mechanismus.

MOSFET: "Vypínač" proudu, který přeruší nebo vede nabíjecí a vybíjecí obvod podle pokynů čipu. Například při přebíjení MOSFET odpojí nabíjecí dráhu, aby nedošlo k poškození článku baterie.

Rezistory a kondenzátory: Pomocné komponenty, používané pro vzorkování proudu a filtraci napětí pro zajištění přesnosti detekčních dat.

Deska PCB: "Nosič" součástek, integračních čipů, MOSFETů a dalších částí tvořících stabilní obvodový systém.

PTC/NTC: Komponenty ochrany proti teplotě. PTC (Positive Temperature Coefficient termistor) má prudký nárůst odporu při vysokých teplotách pro omezení proudu; NTC (Negative Temperature Coefficient termistor) snímá teplotu v reálném čase a poskytuje údaje o teplotě pro čip.

II. Výhody a nevýhody lithiových baterií: Proč se mohou stát hlavním zdrojem energie?

Lithiové baterie mohou nahradit olověné-kyselinové, nikl{1}}kadmiové a nikl-metalhydridové baterie a stanou se tak první volbou ve spotřební elektronice a nových energetických oborech, a to díky svým vynikajícím výkonnostním výhodám, ale mají také nepopiratelné nedostatky. Umístění lithiových baterií můžeme intuitivněji pochopit pomocí horizontálního srovnání čtyř hlavních typů baterií:

1. Hlavní výhody: Proč jsou lithiové baterie nenahraditelné?

Vysoká hustota energie: Gravimetrická hustota energie je 4-8krát větší než u olověných-baterií a objemová hustota energie je 4-5krát větší než u olověných baterií. To znamená, že lithiové baterie mohou uložit více elektrické energie při stejné hmotnosti/objemu. Například lithiová baterie mobilního telefonu s kapacitou 1900mAh váží jen asi 20g, zatímco olověná baterie o stejné kapacitě váží více než 1kg, což je pro přenosná zařízení zcela nevhodné.

Dlouhá životnost cyklu: Vysoce-kvalitní lithiové baterie mohou dosáhnout více než 1500 cyklů a lithium-železofosfátové baterie mohou dokonce překročit 6000 cyklů, zatímco olověné-baterie mají pouze 200-300 cyklů. Vezměme si jako příklad elektrická vozidla, modely vybavené lithiovými bateriemi mají životnost baterie 5-8 let, což daleko přesahuje 1-2 roky olověných baterií.

Šetrné k životnímu prostředí a znečištění-zdarma: Bez toxických těžkých kovů, jako je olovo, rtuť a kadmium, je šetrný k životnímu prostředí během celého životního cyklu výroby, používání a sešrotování, v souladu s celosvětovým trendem „dual uhlíku“. Naproti tomu znečištění olovem z olověných-kyselinových baterií a kadmiem z nikl-kadmiových baterií je v mnoha zemích omezeno.

Nízká-rychlost samovybíjení: Měsíční-rychlost samovybíjení je pouze 2 %{5}}9 %, což je mnohem méně než u 20 %-30 % nikl-metalhydridových baterií. Plně nabitá lithiová baterie mobilního telefonu si může po jednom měsíci nečinnosti udržet více než 80 % své energie, zatímco nikl-metal hydridové baterii může zbývat pouze 50 %.

Vysokonapěťová platforma: Jmenovité napětí jednoho článku je 3,2-3,7V, což odpovídá sériovému napětí 3 nikl-kadmium/nikl-metal hydridových baterií. Může splnit požadavky na vybavení bez vícenásobných sériových připojení, což zjednodušuje konstrukci baterie.

2. Hlavní nedostatky: Jaké problémy je ještě potřeba vyřešit?

Vysoké náklady: Cena baterie je přibližně 2,0-3,5 CNY za Wh, což je 2-5krát více než u olověných baterií. Přestože s velkovýrobou postupně klesá, stále je hlavní nákladovou položkou nových energetických vozidel a systémů pro skladování energie.

Špatná adaptabilita na teplotu: Optimální provozní teplota je 0-45 stupňů. Když je teplota pod 0 stupňů, kapacita výrazně klesá (např. při -20 stupních může kapacita zbývat pouze 50 %); když je teplota vyšší než 60 stupňů, existují bezpečnostní rizika. Je třeba nakonfigurovat další systémy vytápění/chlazení, což zvyšuje náklady a složitost.

Bezpečnostní rizika: Kapalné elektrolyty jsou hořlavé. Pokud ochranný systém selže (např. přebití, proražení, vytlačení), může to způsobit tepelný únik, což vede k požáru a výbuchu. Lithiové baterie proto musí být vybaveny BMS nebo ochrannými deskami a nelze je používat „nahé“ jako olověné-kyselinové baterie.

Vysoké požadavky na nabíječky: Nabíječky s konstantním proudem a konstantním napětím jsou nutné k zajištění stabilního procesu nabíjení a zamezení přebíjení, zatímco olověné-baterie potřebují pouze jednoduchý regulátor napětí a cena nabíječky je nižší.

III. Klasifikační systém lithiových baterií: Jak si vybrat pro různé scénáře?

Existuje mnoho typů lithiových baterií, které lze rozdělit do více kategorií podle různých rozměrů. Baterie různých kategorií mají výrazné rozdíly ve výkonu a jsou vhodné pro různé scénáře. Zvládnutí klasifikační logiky vám může pomoci lépe porozumět tomu, „proč se kobaltové lithiové baterie používají v mobilních telefonech a lithium-železofosfátové/ternární lithiové baterie se používají v elektrických vozidlech“.

1. Charakteristiky nabíjení a vybíjení: Primární baterie vs. sekundární baterie

Primární (ne-dobíjecí) baterie: Také známé jako lithiové primární baterie, jako jsou lithiové baterie s oxidem manganičitým (CR2032 knoflíkové baterie, používané v dálkových ovladačích a hodinkách) a lithium-thionylchloridové baterie (používané v zařízeních internetu věcí a lékařských implantovatelných nástrojích). Vyznačují se vysokou kapacitou a dlouhou skladovatelností (až 10 let), nelze je však dobíjet a po použití se vyhodí.

Sekundární (nabíjecí) baterie: Také známé jako akumulátorové baterie, jsou nejčastěji používaným typem v každodenním životě, jako jsou baterie mobilních telefonů a baterie elektrických vozidel. Lze je opakovaně nabíjet a vybíjet 500-1500krát. Jádrem je reverzibilní reakce „migrace lithiových iontů mezi katodou a anodou“, na kterou se také zaměřuje tento článek.

2. Podle materiálu katody: Stanovení výkonu jádra baterií

Toto je nejzákladnější metoda klasifikace a katodový materiál přímo určuje hustotu energie, bezpečnost a cenu baterie:

Oxid lithný a kobaltnatý (LiCoO₂): Vysoká hustota energie (200-250Wh/kg), vysokonapěťová platforma (3,7V), ale špatná bezpečnost a krátká životnost cyklu (500-800 cyklů), používá se hlavně ve spotřební elektronice, jako jsou mobilní telefony a notebooky.

Lithium-železo fosfát (LiFePO₄): Extrémně vysoká bezpečnost (tepelná úniková teplota přesahuje 200 stupňů), dlouhá životnost (1500-6000 cyklů), nízká cena, ale nízká energetická hustota (120-180Wh/kg), používá se hlavně v systémech skladování energie, elektrických autobusech a elektromobilech nižší třídy.

Ternární lithium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): Vysoká hustota energie (200-300Wh/kg), dobrý výkon při nízkých-teplotách, ale střední bezpečnost a vysoké náklady. Dělí se na NCM523, NCM622 a NCM811 podle obsahu niklu (čím vyšší obsah niklu, tím vyšší hustota energie), používá se především u špičkových elektrických vozidel a dronů.

Manganan lithný (LiMn₂O₄): Nízká cena, dobrá stabilita při vysokých{0}}teplotách, ale nízká hustota energie (100-150 Wh/kg) a krátká životnost (300–500 cyklů), používá se hlavně v elektrickém nářadí a nízkorychlostních elektrických vozidlech.

3. Podle tvaru: Přizpůsobení různým prostorům vybavení

Válcové baterie: Jako například 18650 (průměr 18 mm, výška 65 mm) a 21700 (průměr 21 mm, výška 70 mm), se stabilní strukturou a vysokou efektivitou hromadné výroby, používané hlavně v laptopech a elektrických vozidlech (např. první modely Tesly používaly 18650 a později přešly na 21700).

Prizmatické baterie: Jako jsou baterie pro mobilní telefony (3-5 mm na tloušťku, 40-60 mm na šířku) a napájecí baterie pro elektromobily (10-20 mm na tloušťku, 100-200 mm na šířku), s vysokou mírou využití prostoru a lze je přizpůsobit podle velikosti zařízení, což je v současnosti hlavní forma elektrických vozidel.

Kapsové baterie: Jsou zapouzdřeny hliníkovou-plastovou kompozitní fólií, lze je vyrobit ultra-tenkou (tloušťka 0,5–2 mm) a flexibilní. Používají se hlavně v tenkých mobilních telefonech, nositelných zařízeních (jako jsou chytré hodinky) a skládacích mobilních telefonech.

4. Podle stavu elektrolytu: kapalina vs polymer

Lithium-iontové baterie (LIB): Používání kapalných elektrolytů s vysokou hustotou energie a nízkými náklady, ale existuje riziko úniku. Do této kategorie patří většina válcových a hranolových baterií s tvrdým-plášťem.

Polymerové lithiové baterie (PLB): Použití gelu nebo pevných elektrolytů bez rizika úniku a může být pružně deformováno. Do této kategorie patří většina pouzdrových baterií, které se používají především ve spotřební elektronice.

5. Podle použití: Běžné baterie vs. napájecí baterie

Běžné baterie: Používá se ve spotřební elektronice, jako jsou mobilní telefony a notebooky, s malou kapacitou (1000mAh-10Ah) a nízkou rychlostí vybíjení (0,5-2C), vyžadující vysokou hustotu energie.

Napájecí baterie: Používá se v elektrických vozidlech a dronech s velkou kapacitou (50Ah-500Ah) a vysokou rychlostí vybíjení (5-30C), které potřebují vydržet velké proudové výboje (např. když auto zrychluje), vyžadují vyšší bezpečnost a životnost cyklu.

IV. Základní terminologie lithiových baterií: Rozlišení pojmů od kapacity po SOC

Při nákupu nebo používání lithiových baterií se často setkáte s pojmy jako „kapacita“, „C-rate“ a „SOC“. Pochopení těchto pojmů vám může pomoci přesně posoudit výkon baterie a vyhnout se omylu „falešně označenými parametry“.

1. Kapacita: Kolik elektřiny může baterie uložit?

Definice: Množství elektřiny, které může baterie uvolnit za určitých podmínek vybití, vypočtené podle vzorce Q=I×t (I je proud, t je čas) v jednotkách Ah (ampér-hodina) nebo mAh (miliampér-hodina).

Obyčejné vysvětlení: 1Ah znamená, že se baterie může vybíjet proudem 1A po dobu 1 hodiny a 1mAh znamená, že se může vybíjet proudem 1mA po dobu 1 hodiny. Například baterie mobilního telefonu s 1900 mAh znamená, že se může vybíjet proudem 190 mA po dobu 10 hodin.

Běžné scénáře: Baterie pro mobilní telefony: 800-1900mAh; elektrokola: 10-20Ah; elektrická vozidla: 20-200Ah; akumulátory energie: 100-1000Ah.

2. Rychlost nabíjení/vybíjení (C-rate): Jak rychlé je nabíjení/vybíjení?

Definice: Nabíjecí/vybíjecí proud vyjádřený jako násobek nominální kapacity baterie. 1C je proud pro „úplné nabití/vybití za 1 hodinu“.

Metoda výpočtu: Pokud je kapacita baterie 1500 mAh, 1C=1500mA, 2C=3000mA (plně vybitá za 0,5 hodiny), 0,1C=150mA (plně vybitá za 10 hodin).

Poznámky: Čím vyšší je rychlost vybíjení, tím nižší je skutečná kapacita baterie (např. kapacita při vybíjení 2C může být pouze 80 % kapacity při vybíjení 1C) a tím závažnější je tvorba tepla. Napájecí baterie proto musí mít vysokou -schopnost vybíjení (např. elektrická vozidla vyžadují více než 5 C).

3. Napětí (OCV): "Platforma napětí" baterií

Jmenovité napětí: Jmenovité napětí baterie. Běžné lithiové baterie jsou 3,2-3,7 V (oxid lithný a kobaltnatý: 3,7 V; fosforečnan lithný: 3,2 V), což je důležitý ukazatel výkonu baterie.

Napětí otevřeného okruhu (OCV): Napětí baterie, když není připojena žádná zátěž, které lze použít k posouzení stavu baterie (např. OCV plně nabité lithium-kobaltoxidové baterie je asi 4,2 V a asi 3,0 V, když je vybitá).

Platforma napětí: Stabilní rozsah napětí během nabíjení a vybíjení baterie (obvykle 20%-80% kapacity), kde se napětí mění jen málo. Například napěťová platforma lithiových kobaltových baterií je 3,6-3,9 V, což je také normální rozsah pracovního napětí zařízení.

4. Energie a výkon: Jak dlouho je lze používat? Jak velký výkon může vydat?

Energie: Celková elektrická energie, kterou může baterie uložit, vypočtená podle vzorce E=U×Q (U je napětí, Q je kapacita) v jednotkách Wh (watt-hodina) nebo kWh (kilowatt-hodina, 1kWh=1 stupeň elektřiny). Například baterie mobilního telefonu s 1900 mAh a 3,7 V má energii 3,7 V × 1,9 Ah=7.03Wh.

Moc: Energie, kterou může baterie vydat za jednotku času, vypočtená podle vzorce P=U×I v jednotkách W (watt). Výkon určuje „výbojný výkon“ zařízení. Elektromobily například potřebují při akceleraci baterie s vysokým-výkonem, zatímco mobilní telefony potřebují pouze baterie s nízkou spotřebou-.

5. Životnost cyklu: Kolikrát lze baterii nabít a vybít?

Definice: Jedno nabití a vybití baterie je jeden cyklus. Když kapacita klesne na 60%-70% původní kapacity, je to považováno za konec životnosti.

Standardní test: Norma IEC stanoví, že lithiové baterie mobilních telefonů vybité na 3,0 V při 0,2 C a nabité na 4,2 V při 1 C by měly mít kapacitu větší nebo rovnou 60 % po 500 cyklech; národní norma stanoví, že kapacita by měla být větší nebo rovna 70 % po 300 cyklech.

Návrh použití: Vyhněte se hlubokému nabíjení a vybíjení (např. nenabíjejte pokaždé na 100 % nebo nevybíjejte na 0 %), které může prodloužit životnost. Například udržování baterie mobilního telefonu na 20%-80% energie může prodloužit životnost na více než 1000 cyklů.

6. Hloubka vybití (DOD) a stav nabití (SOC): Kolik energie zbývá v baterii?

DOD: Procento vybité kapacity k jmenovité kapacitě. Pokud je například vybitá kapacita 500 mAh a jmenovitá kapacita 1 000 mAh, DOD =50 %. Čím hlubší je DOD, tím kratší je životnost baterie.

SOC: Procento zbývající kapacity k jmenovité kapacitě . 0 % znamená bez energie a 100 % znamená plně nabité. BMS posuzuje zbývající energii baterie pomocí SOC a displej napájení mobilního telefonu se vypočítá na základě SOC.

7. Odpojte-napětí: „Červená čára“ nabíjení/vybíjení

Vypínací napětí-nabíjení: Napětí, při kterém nelze baterii dále nabíjet. U lithiových kobaltoxidových baterií je to 4,2 V; pro lithium-železofosfátové baterie je to 3,65V. Překročení tohoto napětí způsobí poškození článků baterie a tepelný únik.

Odpojovací-napětí: Napětí, při kterém nelze baterii dále vybíjet. Pro lithiové baterie s oxidem kobaltu je to 3,0 V; pro lithium-železofosfátové baterie je to 2,5V. Pod tímto napětím dojde k nevratnému poškození anody a kapacitu nelze obnovit.

8. Vnitřní odpor: „Neviditelná ztráta“ baterií

Definice: Odpor uvnitř baterie, který brání toku proudu, v jednotkách mΩ (miliohmy), rozdělený na ohmický vnitřní odpor (způsobený materiály a strukturou) a polarizační vnitřní odpor (způsobený elektrochemickými reakcemi).

Dopad: Čím menší je vnitřní odpor, tím vyšší je účinnost nabíjení a vybíjení baterie a tím méně tepla. Například vnitřní odpor napájecích baterií musí být řízen pod 50 mΩ, jinak dojde při vybíjení vysokým-proudem k silnému generování tepla.

V. Pravidla pojmenování lithiových baterií: Porozumění rozměrům z modelů

Pojmenování lithiových baterií se u různých výrobců liší, ale obecné baterie se řídí standardem IEC61960. Typ a velikost baterie lze posoudit podle modelu, abyste se vyhnuli nákupu špatného modelu.

1. Válcové baterie: 3 písmena + 5 číslice

Význam písmene: První písmeno označuje materiál anody (I=zabudovaný- lithium iont, L=lithiový kov); druhé písmeno označuje materiál katody (C=kobalt, N=nikl, M=mangan, V=vanad); třetí písmeno=R (cylindrické).

Význam čísla: První 2 čísla=průměr (mm), poslední 3 čísla=výška (mm).

Příklady: ICR18650 - I (lithium-iontová anoda), C (lithium-kobaltoxidová katoda), R (válcová), 18 mm v průměru, 65 mm na výšku, nejběžnější baterie pro notebooky a elektrická vozidla; INR21700 - I (lithium-iontová anoda), N (niklová- katoda, ternární lithium), R (válcová), 21 mm v průměru, 70 mm na výšku, s o 50 % vyšší kapacitou než 18650, používané v Tesla Model 3.

2. Prizmatické baterie: 3 písmena + 6 čísla

Význam písmene: První dvě písmena jsou stejná jako u cylindrických baterií, třetí písmeno=P (prizmatické).

Význam čísla: První 2 čísla=tloušťka (mm), prostřední 2 čísla=šířka (mm), poslední 2 čísla=výška (mm).

Příklady: ICP053353 - I (lithium-iontová anoda), C (lithium-kobaltoxidová katoda), P (prizmatická), tloušťka 5 mm, šířka 33 mm, výška 53 mm, typická baterie pro mobilní telefony; IFP101520 - I (lithium-iontová anoda), F (železo{5}}katoda, fosforečnan lithný), P (prizmatická), tloušťka 10 mm, šířka 15 mm, výška 20 mm, používané v chytrých hodinkách.

VI. Celý výrobní proces lithiových baterií: Snaha o dokonalost v každém kroku od materiálů po články

Výroba lithiových baterií je složitý a vysoce automatizovaný proces, který zahrnuje tři hlavní články: front-proces, střední-proces a backend-procesy. Přesné ovládání každého článku přímo ovlivňuje výkon a bezpečnost baterie, známé jako „kombinace jemného chemického průmyslu a přesné výroby“.

1. Přední-koncový proces: Výroba elektrodového plechu (klíč k určení kapacity baterie)

Míchání kaše: Smíchejte aktivní materiály katody (např. LiCoO₂), vodivá činidla (saze), pojiva (PVDF) a rozpouštědla (NMP) ve vakuovém mixéru, aby se vytvořila stejnoměrná kaše; totéž platí pro anodu s grafitem jako aktivním materiálem, CMC/SBR jako pojivem a vodou jako rozpouštědlem. Základní požadavek: Kaše by měla být jednotná bez částic, jinak to povede k nerovnoměrné kapacitě.

Povlak: Rovnoměrně naneste kaši katody/anody na sběrač proudu (hliníková fólie pro katodu, měděná fólie pro anodu), kontrolujte tloušťku povlaku (±1μm) a plošnou hustotu (hmotnost aktivního materiálu na jednotku plochy). Základní požadavek: Povlak by měl být jednotný, jinak způsobí lokální zahřívání a útlum kapacity baterie.

Sušení: Odpařte rozpouštědlo (NMP nebo vodu) v sušárně s teplotou řízenou na 80-120 stupňů. Rychlost a rychlost větru musí být přesné, aby se zabránilo praskání a zvlnění povlaku.

Kalandrování: Za studena-lisujte vysušené elektrodové listy přesným kalandrem, abyste zvýšili hustotu povlaku (snížili poréznost), zlepšili hustotu energie a zajistili rovnoměrnou tloušťku (±0,5 μm).

Řezání: Široké elektrodové listy podélně nařežte na úzké proužky požadované šířky, vyhněte se otřepům (otřepy způsobí zkrat).

Svařování tabulí: Navařte kovové jazýčky (hliníkové jazýčky pro katodu, niklové jazýčky pro anodu) na specifikovaná místa na elektrodových deskách jako body odběru proudu. Kvalita svařování nesmí zajistit žádné studené pájené spoje nebo falešné svařování.

2. Střední-konec procesu: Sestavení článku (klíč k určení bezpečnosti baterie)

Navíjení/stohování: Naskládejte katodu, separátor a anodu v pořadí „separátor - anoda - separátor - katoda“ a naviňte je do válcových/prizmatických článků pomocí navíjecího stroje (typ vinutí) nebo je naskládejte do hranolových článků pomocí stohovacího stroje (skládaný typ). Stohovaný typ má vyšší míru využití prostoru a nižší vnitřní odpor, ale nízkou účinnost; vinutý typ má vysokou účinnost a je vhodný pro hromadnou výrobu.

Pouzdro/zapouzdření: Vložte válcové/prizmatické tvrdé-buňky do kovových skořepin (ocelové/hliníkové skořepiny); vložte vakové buňky do hliníkových-plastových kompozitních fólií.

Pečení: Vložte zapouzdřené články do vakuové pece a pečte při 80-120 stupních po dobu 4-8 hodin, aby se zcela odstranila vlhkost z článků (obsah vlhkosti by měl být kontrolován pod 50 ppm), jinak budou reagovat s elektrolytem za vzniku škodlivých plynů.

Vstřikování elektrolytu: Vstříkněte přesně odměřené množství elektrolytu do článků v suché místnosti s rosným bodem pod -40 stupňů. Elektrolyt musí plně infiltrovat elektrodové listy a separátory. Chyba vstřikovaného množství by měla být kontrolována v rozmezí ±0,1 g, jinak to ovlivní kapacitu baterie.

Těsnění: Vakuové teplo-utěsněte port pro vstřikování elektrolytu na sáčkových článcích; utěsněte otvor pro vstřikování elektrolytu u článků s tvrdým-plášťem ocelovými kuličkami (válcovými) nebo těsnícími hřebíky (prizmatické) a zajistěte vzduchotěsnost laserovým svařováním (únik vzduchu způsobí těkání elektrolytu a útlum kapacity).

3. Zpět-Ukončit proces: Tvorba a testování (prověřování kvalifikovaných produktů)

Formace: Poprvé nabijte články, aby se na povrchu anody vytvořil stabilní film SEI (Solid Electrolyte Interface), který umožňuje průchod iontů lithia, ale blokuje elektrony, což je klíč k životnosti a bezpečnosti baterie. Nabíjecí proud je malý (0,1-0,2C) a doba je dlouhá (8-12 hodin).

Stárnutí: Vytvořené články nechte stát při pokojové teplotě nebo vysoké teplotě (45 stupňů) po dobu 3-7 dnů, aby se stabilizoval film SEI, a odfiltrujte vadné články s nadměrným samovybíjením (např. články s poklesem napětí přesahujícím 50 mV).

Třídění kapacity: Proveďte standardní testy nabíjení{0}}vybití starých článků (nabití na horní limit napětí, vybití na spodní limit napětí), změřte skutečnou kapacitu a klasifikujte podle kapacity (např. třída A: 4950-5050mAh, třída B: 4850-4950mAh), abyste zajistili konzistentní kapacitu článků ve stejné skupině.

Řazení: Klasifikujte články podle parametrů, jako je kapacita, napětí naprázdno a vnitřní odpor, a odstraňte vadné výrobky (např. články s nadměrným vnitřním odporem a nedostatečnou kapacitou).

Testování vzhledu a výkonu: Zkontrolujte vzhled článků (žádné škrábance, úniky nebo deformace), proveďte testy izolačního odporu, vnitřního odporu střídavého proudu a zkratu, abyste zajistili, že bezpečnostní výkon splňuje normy.

VII. Průmyslové trendy a podnikové postupy: Kde je budoucnost lithiových baterií?

S rychlým rozvojem nového energetického průmyslu se technologie lithiových baterií nadále prosazuje a vznikla řada podniků zaměřených na segmentované obory, které prosazují rozšíření lithiových baterií z oblasti „spotřební elektroniky“ do oblastí „průmyslu a energetiky“.

1. Technologické trendy: Od kapaliny k pevnému, od vysoké kapacity k vysoké bezpečnosti

Pevné-baterie: Nahraďte kapalné elektrolyty a separátory pevnými elektrolyty, což výrazně zvyšuje bezpečnost (žádné riziko úniku nebo tepelného úniku) s hustotou energie až 400-600Wh/kg (dvojnásobek oproti stávajícím lithiovým bateriím), které mohou podporovat elektrická vozidla s cestovním dosahem více než 1000 km. V současné době vstoupily do fáze sériové výroby polo-tuhé baterie (s obsahem elektrolytu 5 %-10 %) (např. NIO ET7 semi{11}}verze s polotuhými bateriemi) a očekává se, že všechny-polovodičové baterie budou sériově vyráběny kolem roku 2030.

Technologie rychlého nabíjení: Dosáhněte „80 % nabití za 10 minut“ pomocí optimalizace materiálu (jako jsou anody na -křemíkové bázi, rychlé-nabíjecí elektrolyty) a konstrukčního návrhu. Například super{6}}nabíjecí baterie S4 vybavená na Xpeng G9 dokáže nabít 400 km za 10 minut.

Snížení nákladů: Díky velkovýrobě- (celková kapacita výroby lithiových baterií přesáhla 2 TWh), inovacím materiálů (jako je fosforečnan lithno-železnatý nahrazující ternární lithium) a optimalizaci procesů (jako je technologie CTP/CTC, redukce komponent modulů) klesly náklady na baterie z 5 CNY/Wh v roce 2015 na méně než 1,5 CNY/Wh v roce 2015 a očekává se další pokles do 12.

2. Podniková praxe: Zhongchuang Feiyue - Zaměření na „revoluci výměny baterií“ dvou-elektrických vozidel na kolech

V oblasti dvou{0}}kolových elektrických vozidel se používání lithiových baterií mění z „nabíjení“ na „výměnu baterií“. Zhongchuang Feiyue (přidružený k Zhongchuang New Energy Technology Group) je reprezentativním podnikem tohoto trendu. Mezi jeho základní postupy patří:

Řešení založená na scénáři{0}: Poskytněte vysoce{0}}bezpečné lithiové baterie s dlouhou{1}}životností pro scénáře, jako jsou sdílená elektrická kola, okamžité doručení (s sebou, expresní doručení) a osobní cestování. Například baterie dodávkových vozidel má životnost více než 2000krát, což odpovídá dennímu požadavku na dojezd 100 km.

Inovativní model výměny baterií: Předložte koncept „výměna baterie místo nabíjení je bezpečnější“ a rozmístěte stanice pro výměnu baterií ve více než 100 městech po celé zemi. Uživatelé mohou dokončit výměnu baterie za pouhých 30 sekund a vyřešit tak problémy s „pomalým nabíjením a bezpečnostními riziky nabíjení“ dvou-vozidel, která obsluhují více než 400 milionů dvou-uživatelů na dvoukolových cestách.

Výrobní kapacita a globalizace: S roční výrobní kapacitou přes 5 GWh se produkty vyvážejí do více než 10 zemí a přizpůsobují se napěťovým normám a klimatickým podmínkám různých zemí (např. baterie ve verzi pro vysoké-teploty pro jihovýchodní Asii, které mohou stabilně fungovat v 60stupňovém prostředí).

Závěr: Lithiové baterie - Hlavní motor energetické revoluce

Od mobilních telefonů po elektrická vozidla, od skladování energie po úsporu -nízkých nadmořských výšek – lithiové baterie se staly hlavním motorem energetické revoluce. Jejich technologický vývoj nesouvisí pouze se zlepšením výkonu zařízení, ale také s realizací cíle „dvou uhlíku“ a transformací energetické struktury. V budoucnu, s průlomem v polovodičových-bateriích a technologiích rychlého nabíjení, stejně jako s neustálým snižováním nákladů, budou lithiové baterie hrát roli ve více oblastech (jako je letectví a kosmonautika a hlubinný-průzkum) a budou poskytovat solidní podporu pro budoucnost lidské zelené energie.

Běžným uživatelům může porozumění základním principům a výkonnostním parametrům lithiových baterií pomoci používat baterie vědecky (např. vyhnout se přebíjení a nadměrnému{0}}vybíjení); pro odborníky v oboru je pochopení technických trendů a potřeb scénářů klíčem k nalezení příležitostí na „st{1}}miliardové-úrovni lithiových baterií. Ať už jste spotřebitel nebo praktik, příběh lithiových baterií stále pokračuje.