
ما الذي يجعل بطاريات الليثيوم أيون بالغة الأهمية في التكنولوجيا الحديثة؟ تنطوي عملية الإنتاج المعقدة على أكثر من 50 خطوة، بدءاً من تصنيع صفائح الأقطاب الكهربائية إلى تصنيع الخلايا والتعبئة النهائية. يستكشف هذا المقال هذه المراحل بالتفصيل، ويسلط الضوء على الآلات الأساسية والدقة المطلوبة في كل خطوة. من خلال فهم هذه العملية، ستكتسب نظرة ثاقبة على الابتكارات والتحديات في إنشاء مصادر الطاقة القوية هذه، والتي تزود كل شيء بالطاقة بدءاً من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية. تعمّق في التعقيدات وشاهد كيف يلعب كل مكون وإجراء دوراً حيوياً في أداء البطارية وسلامتها.
إن بطاريات أيونات الليثيوم هي أنظمة كهروكيميائية متطورة تضم مكونات متعددة، بما في ذلك الأقطاب الموجبة والسالبة والفواصل والإلكتروليتات ومجمعات التيار والمواد الموصلة والمواد المضافة الموصلة. وينطوي تشغيلها على تفاعلات كهروكيميائية معقدة في كلا القطبين، إلى جانب آليات نقل أيونات الليثيوم والإلكترونات، فضلاً عن عمليات الإدارة الحرارية.
يعد تصنيع بطاريات الليثيوم أيون عملية معقدة تنطوي على أكثر من 50 خطوة متميزة. وفي حين أن طرق الإنتاج المحددة قد تختلف قليلاً اعتماداً على هندسة الخلية (أسطوانية أو منشورية أو كيسية)، يمكن تصنيف التصنيع الكلي إلى ثلاث مراحل رئيسية:
ونظراً لمتطلبات السلامة الحرجة المرتبطة ببطاريات الليثيوم أيون، يجب أن تلتزم معدات التصنيع بمعايير صارمة من الدقة والثبات والأتمتة طوال دورة الإنتاج.
تشتمل معدات تصنيع بطاريات الليثيوم على مجموعة واسعة من الآلات المتخصصة المصممة لمعالجة وتجميع المكونات المختلفة، بما في ذلك مواد الإلكترود والمواد الفاصلة والإلكتروليتات، في تسلسل يتم التحكم فيه بعناية. تلعب هذه المعدات دوراً حاسماً في تحديد خصائص الأداء وتكاليف إنتاج بطاريات الليثيوم أيون.
يمكن تصنيف معدات التصنيع وفقًا لمراحل الإنتاج الرئيسية الثلاث المذكورة سابقًا. في خط إنتاج نموذجي لبطاريات الليثيوم أيون النموذجية، يبلغ توزيع قيمة المعدات عبر هذه المراحل حوالي 401 تيرابايت 3 تيرابايت للعمليات الأمامية، و301 تيرابايت 3 تيرابايت للمرحلة المتوسطة، و301 تيرابايت 3 تيرابايت للعمليات الخلفية. يؤكد هذا التوزيع على أهمية الاستثمار في المعدات عالية الجودة في جميع المراحل لضمان الأداء الأمثل للبطاريات والفعالية من حيث التكلفة.
الهدف من العملية الأمامية هو تصنيع صفائح القطب الموجب والسالب. وتشمل العمليات الرئيسية في العملية الأمامية الخلط والطلاء والدرفلة والحز, قطع الألواحوقطع القوالب. تشمل المعدات المستخدمة في هذه العملية الخلاطات وأجهزة الطلاء, ماكينات الدرفلةوماكينات الحز وماكينات تقطيع الصفائح وماكينات تقطيع القوالب.
ينتج عن خلط مواد القطب الكهربائي (باستخدام خلاط تفريغ الهواء) ملاطًا عن طريق خلط مواد بطارية الحالة الصلبة للأقطاب الموجبة والسالبة بشكل موحد مع مذيب. خلط مواد القطب الكهربائي هو نقطة البداية للعملية الأمامية وهو الأساس للعمليات اللاحقة مثل الطلاء والدرفلة.
الطلاء (باستخدام ماكينة طلاء) هي عملية طلاء الطين المختلط بالتساوي على رقائق معدنية ثم تجفيفها لتشكيل صفائح القطب الموجب والسالب. وباعتبارها العملية الأساسية لمرحلة الواجهة الأمامية، فإن جودة عملية الطلاء لها تأثير عميق على اتساق البطارية النهائية وسلامتها وعمرها الافتراضي. ولذلك، فإن ماكينة الطلاء هي أكثر المعدات قيمة في عملية الواجهة الأمامية.
الدرفلة (باستخدام آلة الدرفلة) هي عملية زيادة ضغط لوح القطب المغلف لزيادة كثافة طاقة البطارية. وتؤثر نعومة صفيحة القطب الكهربائي بعد الدرفلة بشكل مباشر على فعالية العمليات اللاحقة مثل الحز. كما يؤثر تجانس المادة النشطة في لوح القطب الكهربائي بشكل غير مباشر على أداء البطارية.
مبدأ ماكينة الدرفلة:
فك اللف → فك اللف مع التصحيح → البكرات المتقابلة → اللف لأعلى → اللف لأعلى مع التصحيح
الحز (باستخدام ماكينة الحز) هي عملية قطع لفة عريضة من صفيحة القطب الكهربائي إلى عدة شرائح ضيقة بالعرض المطلوب. أثناء عملية الحزّ، تخضع صفيحة القطب الكهربائي لقوة القص وقد تتكسر، مما يؤثر على جودة الشرائح الضيقة الناتجة. تعتبر نعومة حواف الشرائح الضيقة، بما في ذلك عدم وجود نتوءات وتجاعيد، عاملاً رئيسيًا في تقييم أداء ماكينة الحز.
مبدأ ماكينة الحز:
الفك ← تصحيح الفك ← تصحيح الفك ← تصحيح العملية ← تصحيح الجر ← المحرك الرئيسي ← الشد ← التصحيح ← تصحيح الشد.
يشمل قطع الصفيحة (باستخدام ماكينة قطع الصفيحة) لحام الألسنة على الشرائط الضيقة من صفيحة القطب الكهربائي، أو ربط الورق الواقي، أو تغليف الألسنة، أو استخدام القطع بالليزر لتشكيل الألسنة. تُستخدم هذه الألسنة في عملية اللف اللاحقة. قطع القوالب (باستخدام ماكينة قطع القوالب) هي عملية قطع صفائح الأقطاب المغلفة إلى شكل معين لاستخدامها في العمليات اللاحقة.
مبدأ ماكينة قطع القوالب:
فك اللف ← الختم ← الختم ← القطع بالقالب ← السحب ← الطيّ.
الهدف من عملية المرحلة الوسطى في إنتاج بطاريات الليثيوم هو تصنيع الخلية. الأنواع المختلفة من بطاريات الليثيوم لها طرق تقنية ومعدات مختلفة في عملية المرحلة الوسطى.
عملية المرحلة الوسطى هي في الأساس عملية تجميع تتضمن التجميع المنظم لصفائح القطب الموجب والسالب المصنوعة في العملية الأمامية مع الفاصل والإلكتروليت.
ونظرًا لاختلاف هياكل تخزين الطاقة للخلايا المربعة (الحقيبة) والأسطوانية (المدرفلة) وخلايا الحقيبة، هناك اختلافات كبيرة في الطرق التقنية والمعدات المستخدمة في عملية المرحلة المتوسطة لأنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم.
وعلى وجه التحديد، تتضمن عملية المرحلة المتوسطة للخلايا المربعة والأسطوانية بشكل أساسي اللف والحقن والتعبئة والتغليف، والتي تتطلب معدات مثل ماكينات اللف وماكينات الحقن ومعدات التعبئة والتغليف (ماكينات إدخال الغلاف وبكرات الأخدود وماكينات الختم وماكينات اللحام).
تشمل عملية المرحلة المتوسطة لخلايا الأكياس بشكل أساسي التكديس والحقن والتعبئة والتغليف، والتي تتطلب معدات مثل ماكينات التكديس وماكينات الحقن ومعدات التعبئة والتغليف.
اللف (باستخدام آلة اللف) هي عملية لف صفائح الأقطاب الكهربائية المنتجة في العملية الأمامية أو الشرائط الضيقة من صفائح الأقطاب الكهربائية المصنوعة بواسطة آلة القطع باللف إلى اللف في خلية بطارية ليثيوم أيون. تُستخدم هذه العملية بشكل رئيسي في إنتاج بطاريات الليثيوم أيون المربعة والأسطوانية.
يمكن تقسيم آلات اللف إلى آلات لف مربعة وآلات لف أسطوانية، والتي تستخدم لإنتاج بطاريات الليثيوم أيون المربعة والأسطوانية على التوالي. وبالمقارنة مع اللف الأسطواني، تتطلب عملية اللف المربع تحكماً أعلى في الشد، مما يجعل تقنية آلات اللف المربع أكثر صعوبة.
التكديس (باستخدام ماكينة تكديس) هي عملية تكديس صفائح الأقطاب الكهربائية الفردية المصنوعة في عملية القطع بالقالب في خلية بطارية ليثيوم أيون، وتستخدم بشكل رئيسي في إنتاج خلايا الحقيبة.
مقارنةً بالخلايا المربعة والأسطوانية، تتمتع خلايا الحقيبة بمزايا كبيرة في كثافة الطاقة والسلامة وأداء التفريغ. ومع ذلك، تتضمن عملية التكديس عمليات فرعية متعددة وآليات معقدة يجب أن تعمل بالتوازي، مما يجعل من الصعب تحسين كفاءة التكديس من خلال التحكم الديناميكي المعقد.
وفي المقابل، ترتبط سرعة اللف وكفاءة آلة اللف ارتباطًا مباشرًا، مع وجود طرق بسيطة نسبيًا لزيادة الكفاءة. وفي الوقت الحالي، هناك فجوة في كفاءة الإنتاج والعائد بين الخلايا المكدسة والخلايا الملفوفة.
آلة الحقن (باستخدام آلة الحقن) هي قطعة من المعدات المستخدمة لحقن كمية دقيقة من الإلكتروليت في خلية بطارية ليثيوم أيون.
مبدأ ماكينة الحقن:
إدخال حلقة الإلكتروليت ← تجميع البطارية ← حقن الإلكتروليت في البطارية ← تفريغ الهواء ← تفريغ البطارية.
تغليف الخلية (باستخدام معدات التغليف مثل ماكينات إدخال الغلاف، وبكرات الأخدود، وماكينات الختم، وماكينات اللحام) هي عملية وضع الخلية الملفوفة في الغلاف الخارجي لبطارية ليثيوم أيون.
مبدأ ماكينة إدخال القشرة:
تغذية الخلية ← تغذية صفيحة العزل ← تغذية الغلاف ← التجميع ← الشحن.
مبدأ ماكينة أسطوانة الأخدود:
التحميل ← شفط شريط السحب ← التدفق إلى أخدود الدرفلة ← الدحرجة ← التفريغ.
مبدأ ماكينة الختم:
إعادة تدوير المواد ← التغذية ← الاستخلاص بالتفريغ ← الثقب ← التعبئة والتغليف.
مبدأ اللحام الماكينة:
تركيب التركيب → اللحام بالليزر ← قم بتمزيق الغشاء الواقي ← اجمع المقاومة الداخلية لجميع الوحدات ← تحقق من إحكام إغلاق جميع الوحدات.
هدف الإنتاج من العملية الخلفية هو استكمال تشكيل وتعبئة بطارية الليثيوم أيون. وبحلول نهاية عملية المرحلة الوسطى، يكون قد تم تشكيل الهيكل الوظيفي لخلية البطارية، وتتمثل أهمية العملية الخلفية في تنشيطها وتشكيل بطارية ليثيوم أيون آمنة ومستقرة من خلال الاختبار والفرز والتجميع.
وتشمل العمليات الرئيسية للعملية الخلفية التشكيل، وفرز القدرات، والاختبار، والفرز، وتشمل المعدات المستخدمة بشكل أساسي آلات الشحن والتفريغ ومعدات الاختبار.
التهيئة (باستخدام معدات الشحن والتفريغ) هي عملية تنشيط خلية البطارية عن طريق شحنها أولاً. وخلال هذه العملية، يتم تشكيل طبقة بينية فعالة للإلكتروليت الصلب (SEI) على سطح القطب السالب لتهيئة بطارية الليثيوم أيون.
يتم استخدام فرز السعة (باستخدام معدات الشحن والتفريغ) لقياس سعة خلية البطارية وفقًا لمعايير التصميم بعد عملية التشكيل.
يعد شحن خلية البطارية وتفريغها جزءًا أساسيًا من عملية التشكيل وفرز السعة، مما يجعل معدات الشحن والتفريغ أكثر المعدات الأساسية استخدامًا في العملية الخلفية.
الحد الأدنى لوحدة عمل ماكينة الشحن والتفريغ هو "قناة"، وتتكون "الوحدة" (الصندوق) من عدة "قنوات". تشكل "الوحدات" المتعددة مجتمعة معًا آلة شحن وتفريغ.
يتم إجراء عملية الاختبار (باستخدام معدات الاختبار) قبل وبعد الشحن والتفريغ وحالة الخمول، بينما يتم الفرز بناءً على نتائج الاختبار لتصنيف البطاريات واختيارها بعد عملية فرز التكوين والسعة وفقًا لمعايير معينة.
لا تكمن أهمية عملية الاختبار والفرز في التخلص من المنتجات المعيبة فحسب، بل تكمن أيضًا في اختيار البطاريات ذات الأداء المتشابه حيث يتم دمج الخلايا غالبًا على التوازي والتسلسل في الاستخدام الفعلي، مما يساعد على تحسين الأداء الكلي للبطارية.
يعتمد إنتاج بطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير على معدات إنتاج بطاريات الليثيوم أيون. وبالإضافة إلى المواد المستخدمة في البطاريات، تعتبر عملية التصنيع ومعدات الإنتاج من العوامل المهمة التي تحدد أداء البطارية.
في الأيام الأولى، اعتمدت الصين على معدات الليثيوم أيون المستوردة، ولكن بعد عدة سنوات من التطور السريع، تمكنت شركات معدات الليثيوم أيون الصينية من اللحاق تدريجياً بشركات المعدات اليابانية والكورية الجنوبية من حيث التكنولوجيا والكفاءة والاستقرار وغيرها من الجوانب.
تتمتع الشركات الصينية أيضًا بمزايا من حيث فعالية التكلفة والصيانة بعد البيع.
في الوقت الحالي، شكلت الصين مجموعة من شركات معدات الليثيوم أيون في الصين، وأصبحت بطاقة أعمال المعدات المتطورة التي تدخل السوق الدولية. ومن المتوقع أن تدخل صناعة معدات الليثيوم أيون فترة جديدة من النمو السريع بسبب التوسع في الإنتاج في المصب مع التحالف الرأسي والتوسع في شركات الليثيوم أيون الرائدة وإنتاجها في الخارج.