鋰離子電池是如何制造的?
鋰離子電池是由鋰金屬或鋰合金為正/負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池,充電時鋰離子從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極,負極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。鋰離子電池是二次電池技術(shù)中能量密度較高、綜合性能較好的電池,從誕生之初起份額便逐年提升。
與其他充電電池相比,鋰離子電池具有高能量密度、高電壓、壽命長、無記憶效應等優(yōu)點。根據(jù)應用場景,鋰離子電池可分為動力類、消費類和儲能類三大類,目前已經(jīng)占據(jù)手機、筆記本電腦、智能穿戴設備等消費類電子和動力電池的主要市場,未來隨著鋰離子電池生產(chǎn)工藝和電池性能的進一步提升,將進一步占據(jù)儲能電池等領域市場。
鋰離子電池產(chǎn)業(yè)是我國重點發(fā)展的新能源、新能源汽車和新材料三大產(chǎn)業(yè)中的交叉產(chǎn)業(yè),近年國家出臺了一系列支持鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的支持政策,直接帶動中國鋰離子電池市場高速增長。與此同時,隨著3C數(shù)碼產(chǎn)品、智能穿戴產(chǎn)品對鋰離子電池需求量的穩(wěn)定增加,以及新能源汽車的市場規(guī)模逐步擴大和儲能電池的需求擴大,也帶動我國鋰離子電池產(chǎn)量規(guī)模逐年擴大。2015-2022年我國鋰離子電池的產(chǎn)量不斷增長。數(shù)據(jù)顯示,2021年我國鋰離子電池產(chǎn)量232.64億只,同比增長23.45%。2022年我國鋰離子電池產(chǎn)量239.28億只,同比增長2.85%。
一、工作原理
鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,鋰離子在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,鋰離子從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極,負極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。鋰離子電池的正極材料通常采用鈷酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等,負極材料則采用石墨或硅等。
二、應用領域
鋰離子電池具有高能量密度、長壽命、低自放電和無記憶效應等特點,因此廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車、電動工具、醫(yī)療設備等領域。在便攜式電子設備中,鋰離子電池已經(jīng)成為主流電池類型,如手機、平板電腦、筆記本電腦等。在電動汽車領域,鋰離子電池也是最常用的電池類型之一,如特斯拉的電動汽車就采用了鋰離子電池。
三、未來發(fā)展方向
鋰離子電池的研究領域包括壽命延長、能量密度、安全性、成本降低和充電速度等。為了提高鋰離子電池的壽命,可以采用新型電解質(zhì)、正負極材料和電池結(jié)構(gòu)等技術(shù)。為了提高能量密度,可以采用硅負極、硫正極和氧化鋁電解質(zhì)等技術(shù)。為了提高安全性,可以采用固態(tài)電解質(zhì)、熱穩(wěn)定劑和電池管理系統(tǒng)等技術(shù)。為了降低成本,可以采用新型材料、生產(chǎn)工藝和回收利用等技術(shù)。為了提高充電速度,可以采用快充技術(shù)和高功率電池等技術(shù)。
電動汽車和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中使用的鋰離子電池將成為推動綠色革命的驅(qū)動力。
以典型的電動汽車特斯拉Model S車型為例,其使用了超過7600節(jié)鋰離子電池。在不久的將來,這種使用大量電池的情況不會被視作典型,而是會被認為很奇怪。

在未來幾十年,要過渡到綠色能源就必須相應地增加電池的產(chǎn)量并提高其創(chuàng)新性。鋰離子電池將在不遠的將來成為綠色能源革命的主力軍,為幾乎所有東西儲存能量,涵蓋從電動汽車到飛機,再到家庭和商業(yè)建筑。
鋰離子電池有三種類型:圓柱形、袋狀和方形(也稱為電池罐)。智能手機通常使用袋狀電池,而大多數(shù)家用電器則使用圓柱形電池。
全世界的電池產(chǎn)量正在快速攀升。特斯拉于2015年在內(nèi)華達州的斯帕克斯建成了其第一家“超級工廠”,用于生產(chǎn)蓄電池。特斯拉的另一家“超級工廠”位于紐約州的布法羅市,于2017年投入運營,主要生產(chǎn)太陽能電池。該公司計劃在未來幾年在德國柏林和美國德克薩斯州首府奧斯汀再開設兩家工廠。歐洲電池公司Northvolt也計劃于2021年在瑞士的Skellefte?開始大規(guī)模建造一個超級工廠。
向綠色能源過渡為全球經(jīng)濟的新行業(yè)提供了一條長長的跑道。隨著對太陽能電池和蓄電池的需求增加,制造業(yè)將從中受益,并且隨著新技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將得到發(fā)展,為制造業(yè)的高速增長和高生產(chǎn)力提供支持。鋰離子電池目前正處于生態(tài)和經(jīng)濟革命的前沿。
鋰離子電池是如何制造的
雖然鋰離子電池的重要性不言而喻,但從概念上而言,鋰電池的結(jié)構(gòu)非常簡單。結(jié)構(gòu)上,鋰離子電池的陰極(帶正電荷)和陽極(帶負電荷)電極片交替堆疊,每層之間用隔膜隔開。電極片之間注入液態(tài)或固態(tài)電解液,以促進陰極片和陽極片之間的能量轉(zhuǎn)移。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)。與金屬電池相比,鋰離子電池在運行和充電過程中更加穩(wěn)定。鋰離子電池的能量密度通常是鎳鎘電池的兩倍,但其往往比其他電池更重。
陰極片通常由鋁箔制成,而陽極片則通常由銅箔制成。每一片均涂以特定材料,以提高導電性、效率和粘合力。
活性材料:決定了鋰離子電池的容量、電壓和特性。陰極活性材料通常包括鋰鈷氧化物、錳酸鋰氧化物或磷酸鐵鋰。陽極片則通常涂有某種碳材料,如石墨或鈦酸鋰。
粘合劑:用于將混合物粘附在箔材上。
溶劑:促進漿料中材料的混合,使混合物能夠涂附在電極片上。
此外,陰極還含有導電劑,以降低電池內(nèi)阻并提高導電性。
電極之間的隔膜由多孔聚烯烴薄膜材料制成,該材料涂有芳香族聚酰胺涂層,然后切割成一定尺寸。當電極片疊放完成后,電極片將采用以下三種主要形式之一(圓柱形、袋狀或方形)放入電池殼中。根據(jù)電池的形狀和特性,電池殼將包括外部正極和負極端子(以與被供電設備連接)、外殼與電極堆之間的絕緣層、墊圈、排氣孔和其他元件。

圓柱形電池是首個批量生產(chǎn)的鋰電池類型之一,它由陽極片、隔膜和陰極片按順序堆疊并卷繞而成。圓柱形電池非常適合自動化生產(chǎn),其形狀使得電池能夠承受更高水平的內(nèi)部壓力而不變形。圓柱形電池通常用于醫(yī)療器械、筆記本電腦、電動自行車和電動工具中,并且是特斯拉汽車龐大電池組中的一個組成部分。
使用相機實現(xiàn)鋰離子電池的質(zhì)量保證
盡管從概念上而言,鋰離子電池的制造很簡單,其由有涂層的電極疊片和電解質(zhì)溶劑組成,但實際生產(chǎn)過程相當復雜且敏感。電極的涂層厚度對電池的性能甚至穩(wěn)定性都有著很大的影響。
采用機器學習算法的線掃描相機可有助于在鋰離子電池制造的質(zhì)量保證階段實現(xiàn)自動化和優(yōu)化。以Teledyne DALSA的Linea系列相機為例,此款線掃描相機可以安裝在工廠生產(chǎn)線上,可在制造過程中自由移動,從而監(jiān)控材料的生產(chǎn)。線掃描相機非常適合用于檢查電極片,這是因為電極片從卷繞到涂層再到堆疊的過程均以高速運行。
檢測相機的激光輪廓儀可覆蓋鋰離子電池的整個制造過程。這些相機可以測量電極片和涂層的厚度,查找電極片上的表面缺陷,如凹痕、劃痕或彎曲邊緣,測量圓柱形或袋狀電池的電池殼尺寸,并監(jiān)控電池外部端子的焊接質(zhì)量。
鋰離子電池的發(fā)展?jié)摿?
電動汽車銷量與內(nèi)燃機車銷量的比例通??梢灶A測鋰離子電池增長率的分界線。預計到2025年,電動汽車將占汽車銷量的10%,之后在2030年和2040年,這一比例將分別提高到28%和58%。例如,加利福尼亞州,作為美國人口最多的州,也是世界上最大的經(jīng)濟體之一,其目標是到2035年,在該州銷售的所有新車和載客車均實現(xiàn)零排放。
由于蓄電池儲能通常與可再生能源成對出現(xiàn),其中一種能源的增長直接預示著另一種能源的采用。根據(jù)美國能源信息署(EIA)的數(shù)據(jù),2021年美國70%的新能源產(chǎn)能將來自可再生能源(其中39%來自太陽能,31%來自風能)。因此,該年的蓄電池存儲容量也將上升,比往年增長四倍。世界上最大的太陽能電池將于2021年底在佛羅里達州投入使用。
電池制造商們需要做好準備,應對未來對鋰離子電池的需求。線掃描相機、激光輪廓儀和機器學習的使用將幫助電池制造商們優(yōu)化質(zhì)量保證流程并提高效率。
鋰離子電池是一種重要的能源存儲技術(shù),具有廣泛的應用前景和潛在的安全風險。隨著技術(shù)的不斷進步和安全管理的加強,鋰離子電池將會在更多領域得到應用,并為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻。