Som en del av mitt arbete som teknisk konsult har jag haft möjlighet att arbeta med alla aspekter av tillverkning och konstruktion av batterier till elfordon.
Batteriet är den dyraste delen i en elbil, så en tillförlitlig tillverkningsprocess är viktig för att förhindra kostsamma defekter. Det finns också en stor efterfrågan på batterier till elfordon, vilket sätter press på tillverkarna att maximera produktionen utan att kompromissa med kvaliteten. Därför används robotautomatisering nästan överallt inom batteritillverkningen.
Tillverkningsprocessen för elbatterier omfattar många steg. Innan vi går igenom varje steg ska vi ta en titt på battericellernas struktur.
Innehållsförteckning
Den viktigaste komponenten i ett EV-batteri är cellen. Det är i cellerna som batteriets energi lagras. Även om det finns olika kemiska sammansättningar är litiumjonbatterier de vanligaste på marknaden eftersom de erbjuder den bästa avvägningen mellan energitäthet och kostnad.
Tre typer av EV-battericeller tillverkas: cylindriska celler, prismatiska celler och påsceller. Cylindriska celler är överlägset populärast, men prismatiska celler spelar också en viktig roll.
Alla typer av celler innehåller följande komponenter, som monteras på liknande sätt.
|  |
En beläggning som kallas slurry appliceras på strömavtagare för att hjälpa till att producera och leda elektricitet. Slurryn är en homogen pasta som blandas under vakuum för att säkerställa att den inte innehåller luftbubblor eller fukt.
Här är vad den innehåller:
Slurryn innehåller inte samma material för anoden och katoden. I litiumjonbatterier innehåller den till exempel litiummetalloxid för katoden och grafit för anoden.
Innan blandningen mäts och valideras egenskaperna hos de råmaterial som används i slurryn.
När slurryn är klar beläggs elektrodarken med den i en maskin som kallas beläggningsmaskin. Här är de olika momenten som utförs under denna process:
Elektrodarken skärs så att de får exakt den form som behövs. Arken måste inte bara passa in i höljet, utan de måste också uppfylla specifika formfaktorer.
Laserskärning är den teknik som vanligtvis används för volymproduktion. I mindre produktionslinjer eller FoU-laboratorier används även stansmaskiner.
Lasermärkning används för att permanent märka anod- och katodplåtarna med 2D-koder. Detta kommer att användas för att:
Elektrod- och separatorarken bildar det som kallas en stapel. Stapeln är en serie ark som alternerar (anod, separator, katod, separator, etc.) Stapeln kommer senare att sättas in i cellhöljet, oavsett om det är ett cylindriskt hölje, ett prismatiskt hölje eller en påse.
Olika metoder används för att skapa dessa staplar:
En metallremsa svetsas fast på anodstacken av kopparfolier och en annan på katodstacken av aluminiumfolier. Både ultraljudssvetsning och lasersvetsning kan användas för att göra dessa anslutningar. Dessa metallremsor (eller flikar) ansluts sedan till cellernas poler och kopplas senare till en samlingsskena för att skapa en elektrisk krets.
Elektrolyt hälls in i höljet och absorberas av separatorarken. Valet av elektrolytens kemiska sammansättning är viktigt för batteriets prestanda. Till exempel kan tillsatser användas för att påverka faktorer som viskositet och förbättra konduktiviteten.
Efter att elektrolyten har hällts i och absorberats avlägsnas luftbubblor i en vakuumkammare. Detta steg kallas avgasning och säkerställer att elektrolyten fördelas jämnt.
Höljet förseglas sedan hermetiskt med hjälp av metoder som krympning, lasersvetsning, ultraljudssvetsning eller värmeförsegling.
Formning innebär den initiala laddningen och testningen av battericellerna. Under detta steg kopplas cellerna samman och genomgår flera laddnings- och urladdningscykler (med viloperioder däremellan) som hjälper till att fastställa cellernas elektrokemiska egenskaper.
Det sista steget i celltillverkningen (före modul- och packmontering) är cellinspektion.
Efter formningen genomgår cellerna slutliga tester för att verifiera deras elektriska egenskaper såsom kapacitet, spänning och inre resistans. Mekaniska egenskaper valideras också med bildkameror. Celler som inte uppfyller kraven kasseras.
Celler med liknande egenskaper grupperas tillsammans. De kommer att monteras i samma moduler för att säkerställa hög prestanda för modulen som helhet.
Vid montering av batterimoduler och batteripaket appliceras tätningsmedel och lim med hjälp av en dispenser. Lim används för att fästa ihop komponenter samtidigt som det ger ytterligare egenskaper som värmeledningsförmåga, elektrisk ledningsförmåga eller isolering.
De appliceras på batterihus, cellhöljen och andra komponenter som kylrör. Härdningstiden kontrolleras med aktiva metoder som UV-ljushärdning för att förhindra fördröjningar.
För att maximera hållfastheten hos limfogarna används laserbehandling av ytan innan lim och tätningsmedel appliceras. Denna process avlägsnar alla föroreningar och kan vid behov modifiera ytans grovhet.
De positiva och negativa anslutningarna på varje cell är kopplade till en samlingsskena för att skapa en komplett elektrisk krets. Samlingsskenan är en metallplåt som kopplar samman alla celler och förenar dem i serie- och parallellkretsar. Kombinationen av dessa anslutningar används för att uppnå specifik spänning och kapacitet. Dessa anslutningar gjordes tidigare med ultraljudsbaserade trådbindare, men de görs allt oftare med lasersvetsmaskiner eftersom de är snabbare och inte utsätter cellerna för mekanisk påfrestning i form av intensiva vibrationer. Därför använder biltillverkare endast lasersvetsare för cylindriska celler. |  |
När batteripaketet är monterat måste andra komponenter som är nödvändiga för att batteriet ska fungera väl integreras.
Laserax tillhandahåller laserlösningar för tillverkning av EV-batterier. Du kan läsa mer om våra lösningar här. Eller kontakta oss om du vill diskutera något av följande:
Källa till rubrikbild: Munro Live
Teknisk expert och konsult inom batterier och elektriska framdrivningssystem, Stéphane har en examen i fysik med inriktning mot fotonik, optik, elektronik, robotik och akustik. Engagerad i omställningen till elfordon har han utvecklat industriella batteripaket för elcyklar. På fritiden driver han en YouTube-kanal om allt som rör el.
Även om litiumjonbatterier dominerar marknaden för elfordon finns det fortsatt oro över brist på råvaror, kostnader samt utvinnings- och gruvdrift. Litiumproduktion är dyr och inte särskilt miljövänlig.
Litiumjonbatterier har drivit våra enheter och elfordon i åratal, men fastfasbatterier hyllas nu som nästa stora grej. Men hur korrekt är det påståendet?
Pouch-celler introducerades 1995 och har alltid haft en unik design, där batteriet är inneslutet i en mjuk plastfilm istället för ett styvt hölje som hos cylindriska och prismatiska celler.
I den här artikeln diskuterar vi hur de har utvecklats genom åren och vart de är på väg.
