リチウムイオン電池の形成プロセス

前書き

リチウムイオン電池は、ほとんどの携帯型電気機器や電気自動車の一般的な電源です。このバッテリー技術は、エネルギー密度の増加が特徴です。これらの電池のエネルギー密度をさらに高めることに焦点を当てた研究が進行中であり、多くの科学者が高電圧および高エネルギー密度のためのカソード材料およびアノード材料を開発および改善している。同時に、科学者たちは、特に電気自動車の用途で、セルの性能を犠牲にすることなくリチウムイオン電池の製造コストを削減するさまざまな方法を検討しています。

現在、リチウムイオン電池技術については多くのことが起こっています。多くのガジェットがこのバッテリー技術を利用しているので、これらのバッテリーがどのように製造されているかを知りたいと思います。リチウムイオン電池の形成に関する情報は、特にこれが最新の電池技術であるため、興味深いものです。

リチウムイオン電池の製造プロセスは、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池の製造プロセスと多少似ていますが、リチウム電池で使用される化学物質の反応性が高いことに関連するいくつかの重要な違いがあります。リチウムイオン電池の製造方法について詳しくは、以下をお読みください。

リチウム電池はどのように製造されていますか？

リチウムイオン電池の製造は、3つの主要なプロセスで構成されています。電極製造、セル組立、セル仕上げ。リチウム電池の形成プロセスは、通常、数日以上かかります。これは、電解質とリチウムイオンの不可逆的な消費を防ぐために、アノードに安定した固体電解質中間相を提供するために必要です。カソード電解質中間層として知られる類似の層が、Li / Li +に対して高電位でカソードに形成されます。

リチウム電池の製造に関連する3つの主要なプロセスを見てみましょう。

1.電極製造

リチウム電池のアノードとカソードは類似した形状であり、類似のプロセスまたは同一の装置で製造されていることに注意することが重要です。電極の製造は、電極コーティングとも呼ばれます。このプロセスでは、活性電極材料が金属箔の両面にコーティングされ、この段階でセルに電流を出し入れする集電体として機能します。陽極は通常炭素でできており、陰極は金属酸化物リチウムです。これらの材料は主に黒色火薬の形で工場に供給される必要があり、あまり注意しないと、ほとんど見分けがつかないように見えます。アノードとカソードの材料間の汚染は、バッテリーを破壊するため、絶対に避けなければなりません。したがって、これらの材料が互いに接触しないように細心の注意を払う必要があります。これは、アノードとカソードが異なる部屋で処理される理由を説明しています。

大電流セルに必要な電極の最大有効表面積を達成するために最小に保たれることを保証するために、粒子サイズに細心の注意を払う必要があります。また、粒子の形状も重要です。通常、エッジが丸い滑らかな球形は、より高い電気的ストレスやアノード不動態化SEI層の分解の影響を受けやすい鋭いエッジや薄片状の表面と比較して最も望ましいと考えられており、大量の熱の発生につながる可能性があります。セル使用時の熱暴走。

金属電極箔は大きなリールで供給され、銅はアノードに、アルミニウムはカソードに使用されます。次に、リールはコーティング機に直接取り付けられ、そこでホイルが巻き戻され、精密ローラーを介して機械に入れられます。

最初に、電極材料が導電性バインダーと混合されてスラリーを形成し、それが次にフォイルが機械に入るときにフォイルの表面に広げられる。コーティング層の厚さは、アノード電極とカソード電極の単位あたりのエネルギー貯蔵が一致するように設定する必要があります。

次に、コーティングされたホイルを長い乾燥オーブンに直接供給して、電極材料をホイル上に焼き付けます。コーティングされたホイルがオーブンを離れると、再び巻き戻されます。再巻き取られたホイルはスリッター機に送られ、そこでさまざまなサイズの電極に適した幅の狭いストリップにカットされます。それからそれらは長さにカットされます。

2.セルアセンブリ

リチウム電池の製造における2番目のプロセスはセルアセンブリです。これは、高度に自動化された機器で、または手動の組み立て方法で実行できることを証明しています。

このプロセスの最初の段階は、電極サブアセンブリを構築することです。これにより、セパレータがアノードとカソードの間に配置されます。多くの場合、使用するセルケーシングのタイプに応じて、2つの基本的な電極構造が使用されます。プリズムセルで使用するためのスタック構造と、円筒セルで使用するためのスパイラル巻き構造。

・プリズムセル

プリズムセルは、スペースの使用を最適化するための大容量バッテリーアプリケーションに最も適した選択肢です。これらのセルは、アノードフォイルとカソードフォイルが個々のプレートに切断され、交互にスタックされ、セパレータによって分離されたスタック電極構造を利用しています。セパレータは通常、スタック内のジグザグ形状の代替電極に巻かれた長いストリップに適用されます。

このケースデザインは、バッテリーパックで使用する場合にスペースを最大限に活用しますが、すべてのアノードを接続し、端子ポストとカソードの同様のクランプ機構を維持するために、特定の方法でクランプする必要がある複数の電極プレートが必要です。これにより、セルの複雑さと労力が増加し、最終的にはコストが増加します。

・円筒形の細胞

円筒形の設計では、陽極箔と陰極箔は2つの長いストリップに切断され、円筒形のマンドレルに巻かれ、それらを離しておくセパレーターが付いています。したがって、円筒形セルには2つの電極ストリップしかないことがわかります。これにより、構造が大幅に簡素化されます。

各電極は、単一のタブを使用して対応する端子に接続されます。ただし、高出力セルには、電極ストリップがより高い電流を流すために、エッジに沿って複数のタブが配置されている場合があります。

電極構造は、安全装置とともに端子に接続され、缶に挿入されます。次に、缶は加熱プロセスまたはレーザー溶接で密封され、電解質を缶に注入するための開口部が残されます。

次に、セルは電解質で満たされ、密封されます。これは、電解質と水の間の反応が起こらないように、乾燥した部屋で行う必要があります。

セル全体には、ラベル付きのIDが付けられます。

リチウムイオン電池の高速フォーメーションサイクリング

これは、セルの組み立てが完了すると発生します。高速フォーメーションサイクルとは、セルが少なくとも1つの正確に制御された充電/放電サイクルを経ることを意味します。これは、作動材料を活性化して、それらを機能的な形に変換することを目的としています。充電プロセスは、リチウム電池で使用する通常の定電流-電圧充電曲線ではなく、徐々に上昇する低電圧から始まります。それが高速フォーメーションサイクリングと呼ばれる理由です。

ほぼすべてのリチウム化学では、このプロセスには、アノード上に固体電解質界面（SEI）を作成することが含まれます。 SEIは、通常の使用で充電プロセスを緩和するために不可欠な不動態化層です。

形成プロセス中に、容量やインピーダンスなどのセル性能に関するデータが収集され、品質分析とトレーサビリティのために記録されます。

リチウムイオン電池の理論と寿命テスト？

ほぼすべての携帯型電子機器がリチウムイオン電池を使用しています。同時に、電気自動車の数が増加しているため、バッテリーの寿命末期戦略を明確にする必要があります。

形成プロセスにより、製造上の欠陥による初期のセル寿命障害のかなりの割合が、顧客の敷地内ではなく製造業者の工場で発生する可能性があります。厳格なプロセス管理は、製造プロセス全体で不可欠です。

使用済み自動車指令などの環境規制により、自動車メーカーは使用後の車両とコンポーネントに対して広範な責任を負うことが義務付けられています。自動車メーカーは、製品を回収して再利用、リサイクル、再製造するか、この責任を第三者に委任する必要があります。

リチウムイオン電池の寿命末期戦略として、多くの文献でリサイクルが提案されています。

結論

これで、リチウムイオン電池の製造方法を学びました。製造には数日以上かかります。このバッテリー技術の製造には、3つのプロセスが含まれます。電極製造、セル組立、セル仕上げ。セルの組み立てと仕上げは分離できません。材料の汚染を防ぐために、プロセスは慎重に行う必要があります。