Как устроен процесс производства литий-ионных аккумуляторов? 

Производство литий-ионных аккумуляторов — это не просто сборка ?бутерброда? из фольги и порошка. Многие думают, что главное — это химия, но на деле 80% проблем — это инженерка, контроль среды и борьба с влажностью. Вот о чём редко пишут в глянцевых брошюрах.

С чего всё начинается: активные материалы и их подводные камни

Возьмём катод. Допустим, NMC. Материал приезжает в виде чёрного порошка, и первая задача — его сушка. Казалось бы, что тут сложного? Но если не досушить, остаточная влага вступит в реакцию с электролитом позже, и батарея ?пыхнет? газом уже на формировке. Я видел, как на одной из первых линий в Китае пропустили этот этап — потом полгода разбирались с вздутыми элементами. Сушат в вакуумных печах, иногда при 120°C, но точные параметры — ноу-хау каждого производителя. Кстати, у ООО Гуандун Сяовэй Нью Энерджи Технолоджи в ассортименте как раз есть передовые катодные материалы, и судя по спецификациям на их сайте xiaoweitop.ru, они уделяют этому этапу серьёзное внимание, что логично для компании, работающей в сегменте передовых наноматериалов.

Анод — обычно графит. Но не тот, что в карандашах, а сферический, синтетический. Его тоже сушат, но здесь ещё важна степень ориентации частиц. Если перемешивание пасты будет неидеальным, частицы лягут хаотично — это скажется на скорости заряда и долговечности. Иногда добавляют немного кремния для ёмкости, но тогда проблема с набуханием: кремний может расширяться до 300%. Рецептуру пасты, соотношение связующего (обычно PVDF) и проводящей добавки (сажа) подбирают месяцами. Помню, мы однажды пытались увеличить долю сажи для лучшей проводимости — паста стала слишком жидкой и плохо наносилась на фольгу. Вернулись к старому рецепту.

И электролит. Многие думают, что это просто смесь солей и растворителей. Но там есть добавки — например, для образования SEI-слоя (твёрдого электролитного интерфейса) на аноде. Без них батарея проживёт недолго. Состав электролита — один из самых охраняемых секретов. Его готовят в комнатах с точным контролем точки росы, часто ниже -40°C. Видел такое на производстве — люди работают в специальных костюмах, как в химлаборатории.

Нанесение паст и калибровка: где теряется качество

Нанесение — это процесс, похожий на печать газеты. Фольгу (медную для анода, алюминиевую для катода) пропускают через щелевой дозатор, который наносит пасту. Толщина слоя критична. Разница в пару микрон — и уже перекос по ёмкости. После нанесения полотно идёт в сушильную печь, длинную, метров 20-30. Там растворитель испаряется. Если температура в разных зонах печи плавает, сушка будет неравномерной. Были случаи, когда из-за этого паста отслаивалась после каландрирования.

Калибровка (каландрирование) — следующий шаг. Слой прокатывают между тяжёлыми валами, чтобы уплотнить. Здесь нужно найти баланс: слишком сильное уплотнение — и ионам лития будет трудно проникать вглубь частиц; слишком слабое — низкая энергоёмкость на единицу объёма. Давление на валах регулируют с точностью до долей тонны. На старых линиях это делают вручную, по результатам замеров плотности, на новых — автоматика.

Резка. Прокатанное полотно режут на ламели — длинные ленты. Ширина зависит от формата будущего элемента (цилиндрический, призматический, ламинат). Края должны быть ровными, без заусенцев. Заусенец может проткнуть сепаратор — и будет короткое замыкание. Контроль здесь визуальный и лазерный. На одном из наших пробных запусков режущий нож затупился незаметно — пришлось отбраковать целую партию ламелей. Мелочь, а убытки.

Сборка ?рулона?: не всё так просто, как кажется

Сборка сердечника. Ламели катода и анода наматываются вместе с сепаратором. Для цилиндрических элементов типа 18650 это делается на высокоскоростных станках. Сепаратор — это пористая полимерная плёнка, обычно полипропилен или полиэтилен. Он должен быть точно шире электродных лент, чтобы не допустить контакта между катодом и анодом по краям. Если намотка будет с перекосом, край электрода может вылезти за край сепаратора. Проверяют это рентгеном после сборки.

Важный нюанс — натяжение. Если сепаратор натянуть слишком сильно, он может порваться при тепловом расширении во время работы батареи. Слабо — будет складка и локальный перегрев. Настройка натяжения — это опыт оператора плюс данные с датчиков. В современных линиях, конечно, всё автоматизировано, но ?чувство машины? всё равно нужно.

После намотки сердечник (его называют джелли-ролл) помещают в корпус. Для цилиндрических — это стальной стакан. Туда же вваривают токосъёмники — табы. Это тонкие никелевые или алюминиевые ленточки, приваренные ультразвуком или лазером к фольге электродов. Место сварки — ещё одно слабое звено. Недостаточная мощность — плохой контакт, высокое внутреннее сопротивление. Пережог — можно повредить активный материал под фольгой.

Заправка электролитом и формировка: самый нервный этап

Корпус с сердечником внутри отправляется в сушильную камеру для окончательного удаления влаги. Потом — в сухую комнату. Электролит заливается через небольшое отверстие. Кажется, что это просто, но тут две проблемы. Первая — воздух. Если его не удалить полностью, останутся пузырьки, и электролит не пропитает сепаратор и электроды равномерно. Вторая — количество. Недолив — плохая ионная проводимость, перелив — может вытекать при нагреве. Дозируют обычно шприцевыми системами под вакуумом.

После заливки отверстие герметизируют. У цилиндрических элементов ставят клапан безопасности и закатывают крышку. У ламинатных — запаивают края фольгированного пакета. Герметичность проверяют гелиевым течеискателем. Малейшая негерметичность — и батарея отправится в брак. Кислород и влага из воздуха — смертельные враги.

И вот, наконец, формировка. Первый заряд-разряд. Здесь происходит самое важное — формирование того самого SEI-слоя на поверхности анода. Процесс идёт при низких токах, иногда занимает десятки часов. Напряжение медленно поднимается до 3.0-3.2V, потом разряд. В этот момент батарея ?оживает?. Если где-то был микродефект, он часто проявляется здесь: повышенный саморазряд, нагрев, невыход на напряжение. После формирования батарею стабилизируют, проводят старение (выдержку), проверяют ёмкость и импеданс. И только потом — сортировка по параметрам.

Контроль качества: что остаётся за кадром

Кажется, что если прошла формировка, то батарея готова. Но нет. Выборочно элементы вскрывают и разбирают — это называется постмортем-анализ. Смотрят, нет ли следов лития (дендритов) на аноде, равномерно ли пропитан сепаратор, нет ли отслоения активной массы. Это рутинная, но необходимая работа. Без неё нельзя быть уверенным в процессе.

Ещё один момент — чистка оборудования. Линия по производству паст должна промываться после каждой смены состава. Если этого не сделать, остатки старой пасты попадут в новую партию. Это может привести к непредсказуемым результатам, особенно при работе с экспериментальными материалами, вроде тех, что разрабатывают для твердотельных батарей или перовскитных солнечных элементов — направлений, которые также указаны в портфеле ООО Гуандун Сяовэй. Там требования к чистоте ещё выше.

И конечно, документация. Каждая партия материалов, каждый этап — всё записывается. Если через полгода приходит рекламация, нужно понять, что было не так. Был ли это графит из партии X, или электролит от поставщика Y, или сбой в печи сушки в такую-то дату. Без этого traceability производство — это стрельба вслепую.

Вместо заключения: почему это всё ещё ремесло, а не конвейер

Глядя со стороны, кажется, что производство литий-ионных аккумуляторов — это полностью автоматизированный поток. Отчасти это так. Но количество переменных — материал, влажность, температура, время, давление — настолько велико, что человеческий опыт и внимание до сих пор незаменимы. Автоматика не почувствует, что паста сегодня ?какая-то липкая?, и не свяжет это с повышенной влажностью на улице, из-за которой сырьё впитало немного воды при погрузке.

Поэтому даже на самых современных заводах есть старые мастера, которые по звуку работы вала или по виду полосы после сушки могут сказать, где кроется проблема. Это знание — не из учебников, оно нарабатывается годами проб и ошибок. И именно это делает отрасль такой сложной и интересной. Технологии, как у Сяовэй Нью Энерджи, задают тренд на новые материалы и архитектуры, но без отлаженного, ?чувствующего? производственного процесса даже самый совершенный наноматериал не раскроет свой потенциал в готовом изделии.

Так что, когда берёте в руки аккумулятор, помните — это не просто продукт химической реакции. Это результат тысяч больших и маленьких решений, контроля, а иногда и вовремя замеченной мелочи, которая могла бы привести к браку. Вот как оно устроено на самом деле.