كيف تتم عملية تصنيع بطاريات الليثيوم أيون

جدول المحتويات

1.أساسيات بطاريات الليثيوم أيون
2.المواد الخام في إنتاج البطاريات
3.صنع الأقطاب الكهربائية
4.خيارات تجميع الخلايا
5.تعبئة وإغلاق المحلول الإلكتروليتي
6.التكوين والشحن الأولي
7.اختبارات الجودة وفحوصات السلامة
8.التحديات الشائعة في الإنتاج
9.تعزيز الكفاءة باستخدام المعدات الحديثة

أساسيات بطاريات الليثيوم أيون

تُشغّل بطاريات الليثيوم أيون معظم الأجهزة التي يستخدمها الناس يوميًا، كالهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والمركبات الكهربائية، والأدوات الكهربائية. ويعود سبب انتشار استخدامها الواسع إلى قدرتها على تخزين كمية كبيرة من الطاقة في حجم صغير وخفيف الوزن، مع قدرتها على العمل لمئات دورات الشحن.

ببساطة، تعمل بطارية الليثيوم أيون عن طريق نقل أيونات الليثيوم بين قطب موجب (كاثود) وقطب سالب (أنود) عبر محلول إلكتروليتي. أثناء الشحن، تتحرك الأيونات في اتجاه واحد، وتتدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية لتخزين الطاقة. أثناء التفريغ، تنعكس العملية لإطلاق تلك الطاقة.

صُممت عملية تصنيع البطاريات بأكملها للحفاظ على كفاءة حركة الأيونات وسلامتها وانتظامها. ويتم تصنيع بطاريات الليثيوم أيون الحديثة في بيئات غرف نظيفة ذات تحكم دقيق لتجنب التلوث، الذي قد يؤثر سلبًا على الأداء أو يُسبب مشاكل تتعلق بالسلامة.

المواد الخام في إنتاج البطاريات

يبدأ كل شيء بالمواد الخام. عادةً ما يُصنع الكاثود من أكاسيد الليثيوم المعدنية، ومن الخيارات الشائعة الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (مركز NMC الطبي) أو فوسفات الحديد والليثيوم (LFP). وتحدد هذه المواد كثافة الطاقة والسلامة والتكلفة.

يتكون المصعد في أغلب الأحيان من الجرافيت، ويُخلط أحيانًا بالسيليكون لزيادة السعة. يفصل فاصل بوليمري رقيق بين الأقطاب الكهربائية مع السماح للأيونات بالمرور. أما الإلكتروليت فهو ملح الليثيوم المذاب في مذيبات عضوية، وهو الذي يحمل الأيونات.

تُكمل مُجمّعات التيار - رقائق الألومنيوم للكاثود ورقائق النحاس للأنود - البنية الأساسية. يجب أن تكون جميع هذه المواد فائقة النقاء، إذ أن حتى الشوائب الضئيلة قد تؤدي إلى انخفاض الأداء أو حدوث دوائر قصر داخلية لاحقًا.

في صناعة البطاريات، يعد الحصول على مواد متسقة وعالية النقاء أحد أكبر عوامل التكلفة والجودة.

صنع الأقطاب الكهربائية

يُعد إنتاج الأقطاب الكهربائية هو المكان الذي تتم فيه معظم الأعمال الدقيقة في تصنيع بطاريات الليثيوم أيون.

يقوم المصنّعون أولاً بخلط المواد الفعّالة مع المواد الرابطة والمواد المضافة الموصلة لتكوين معجون. ثم يُطلى هذا المعجون بالتساوي على الرقائق المعدنية - الألومنيوم للكاثودات والنحاس للأنودات. ويؤثر سُمك الطلاء بشكل مباشر على السعة وسرعة الشحن.

بعد الطلاء، تمر الأقطاب الكهربائية الرطبة عبر أفران تجفيف طويلة لإزالة المذيبات. ثم تمر عبر أسطوانات صقل تضغط الطلاء إلى الكثافة المطلوبة. عادةً ما تعني الكثافة الأعلى تخزينًا أفضل للطاقة، ولكن يجب تحقيق التوازن لتجنب انسداد مسارات الأيونات.

أخيرًا، تُقطع الرقائق المطلية العريضة إلى شرائح ضيقة تتناسب مع حجم الخلية المحدد. أي نتوءات أو حواف غير مستوية في هذه المرحلة قد تُسبب مشاكل أثناء التجميع، لذا فإن دقة القطع أمر بالغ الأهمية.

تقوم خطوط تصنيع البطاريات الحديثة بتنفيذ هذه الخطوات بشكل مستمر وبسرعة عالية للحفاظ على انخفاض التكاليف مع الحفاظ على دقة عالية في القياسات.

خيارات تجميع الخلايا

بمجرد تجهيز الأقطاب الكهربائية، تتخذ الخلية شكلها. وهناك ثلاثة أشكال رئيسية: أسطوانية، ومنشورية، وجيبية.

تستخدم الخلايا الأسطوانية (مثل 18650 أو 21700) عملية لف. يتم وضع الأنود والفاصل والكاثود وفاصل آخر في طبقات ولفها على شكل لفة جيلي تناسب علبة معدنية.

تُلفّ الخلايا المنشورية أيضًا، ولكن تُضغط لتشكيل شكل مستطيل. أما الخلايا الكيسية، الشائعة في الهواتف والعديد من السيارات الكهربائية، فتستخدم التجميع بدلًا من اللف. وتُوضع صفائح الأنود والكاثود الفردية بالتناوب مع طبقات فاصلة لتشكيل مجموعة.

يُتيح التراص كثافة طاقة أعلى قليلاً وتبديدًا أفضل للحرارة، ولكنه يتطلب محاذاة دقيقة للغاية. بالنسبة للخلايا الكيسية، تُلحم ألسنة لتوصيل جميع الطبقات كهربائيًا، ثم توضع المجموعة في كيس مرن مُغلف بطبقة من الألومنيوم.

في تصنيع البطاريات ذات الغلاف المرن، هناك حاجة إلى خطوات وقائية إضافية - مثل التغليف الدقيق أو الترقق عند رأس الخلية - لمنع التلف وضمان الموثوقية على المدى الطويل.

تعبئة وإغلاق المحلول الإلكتروليتي

بعد التجميع، يتم ملء الخلية بالإلكتروليت في غرفة جافة (غالباً ما تكون نقطة الندى أقل من -40 درجة مئوية) لأن أملاح الليثيوم تتفاعل مع الرطوبة.

يجب أن تكون عملية التعبئة دقيقة للغاية؛ فالقليل منها يقلل من الأداء، والكبير منها قد يسبب انتفاخًا أو تسربًا. بالنسبة للخلايا الكيسية، تتم هذه العملية تحت فراغ لإزالة الهواء والمساعدة في اختراق الإلكتروليت للمجموعة.

بعد ملء الخلية، تُغلق بإحكام. تُزود الخلايا الأسطوانية والمنشورية بأغطية معدنية مُحكمة الإغلاق مزودة بفتحات تهوية أمان. أما خلايا الكيس، فتُغلق حراريًا من الحواف، تاركةً جزءًا مفتوحًا مؤقتًا لخروج الغاز أثناء التكوين، ثم تُغلق نهائيًا لاحقًا.

جودة الإحكام أمر بالغ الأهمية - فأي تسرب يسمح بدخول الرطوبة، مما قد يؤدي إلى تلف البطارية بمرور الوقت.

التكوين والشحن الأولي

تخضع كل خلية ليثيوم أيون جديدة لعملية تكوين. وهي دورة شحن وتفريغ أولى مضبوطة تُنشئ طبقة فاصلة صلبة مستقرة من الإلكتروليت (SEI) على المصعد. وتُعد طبقة SEI ضرورية لاستقرار الخلية على المدى الطويل.

عملية التكوين بطيئة وتخضع للتحكم في درجة الحرارة، وغالبًا ما تستغرق ساعات أو أيامًا. وتنتج هذه العملية بعض الغاز، الذي يُزال في خطوة إزالة الغازات لخلايا الكيس.

بعد التكوين، تصل الخلايا عادةً إلىأكثر من 1000 دورة شحن كاملةمع التصميم المناسب، على الرغم من أن الحياة الواقعية تعتمد على الاستخدام.

اختبارات الجودة وفحوصات السلامة

قبل الشحن، تخضع كل خلية لاختبارات كهربائية تشمل السعة والمقاومة الداخلية وثبات الجهد. كما يُجري العديد من المصنّعين اختبارات إتلاف العينات واختبارات تسريع الشيخوخة.

تم دمج ميزات السلامة: فتحات تهوية الضغط، وفواصل الإغلاق التي تنصهر لمنع تدفق الأيونات عند درجات الحرارة العالية، وأحيانًا طبقات سيراميكية على الفواصل لمزيد من الحماية.

تتضمن عملية تصنيع بطاريات الليثيوم أيون الحديثة نقاط فحص متعددة ضمن خط الإنتاج باستخدام الأشعة السينية والمسح الضوئي وأنظمة الرؤية بالذكاء الاصطناعي لاكتشاف العيوب مبكراً.

التحديات الشائعة في الإنتاج

يُعدّ توسيع نطاق تصنيع البطاريات مع الحفاظ على انخفاض التكاليف وارتفاع الجودة أمراً صعباً. ويتطلب التحكم في التلوث غرفاً جافة باهظة الثمن. كما أن أسعار المواد - وخاصة الليثيوم والكوبالت والنيكل - تتقلب بشكل كبير.

تُعدّ معدلات الإنتاجية بالغة الأهمية. فانخفاض طفيف من 99% إلى 95% قد يُؤدي إلى خسارة المصنع للربح. لذا، يتطلب التحكم في الحرارة أثناء عمليات الطلاء والتجفيف السريعة هندسة دقيقة.

تبقى السلامة على رأس الأولويات. حتى حالات الفشل النادرة تحظى باهتمام كبير، لذلك يتم تصميم العمليات مع العديد من الضمانات الاحتياطية.

تعزيز الكفاءة باستخدام المعدات الحديثة

مع تزايد الطلب على بطاريات الليثيوم أيون، تتجه المصانع إلى المعدات الآلية للغاية لتحسين السرعة والدقة والإنتاجية.

بالنسبة للمصنعين الذين يعملون مع خلايا التغليف المرنة، يمكن لآلة تغليف لاصقة موثوقة أن تُحدث فرقاً كبيراً في خطوة التغليف الواقي.آلة تغليف بالغراءتقوم شركة أحسن التكنولوجيا بأتمتة عملية تثبيت الشريط اللاصق على الرأس بدقة باستخدامدقة ±0.25 مميزيل الفقاعات والتجاعيد، ويصل إلى معدلات إنتاج≥1000 قطعة في الساعةمع الحفاظ علىمعدل إنتاج ≥99%يُساهم تصميمها المضاد للكهرباء الساكنة ونظام مراقبة الفراغ في حماية الخلايا الحساسة، كما تُسهّل أدوات التحكم البديهية تغيير النماذج. تُؤدي هذه الميزات مجتمعةً إلى حماية أفضل، وعيوب أقل، وإنتاجية أعلى - وهو ما تحتاجه عمليات تصنيع البطاريات المتنامية.