Mit der rasanten Entwicklung derLithiumbatterieIn der Industrie erweitern sich die Anwendungsbereiche von Lithiumbatterien stetig und sie werden zu einem unverzichtbaren Energielieferanten im Alltag und in der Arbeitswelt. Der Produktionsprozess von kundenspezifischen Lithiumbatterien umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte: Rohstoffauswahl, Beschichtung, Folienzuschnitt, Vorbereitung, Wickeln, Schälen, Walzen, Trocknen, Flüssigkeitsinjektion, Schweißen usw. Im Folgenden werden die wichtigsten Punkte des Produktionsprozesses erläutert. Bestandteile der positiven Elektrode: Die positive Elektrode von Lithiumbatterien besteht aus Aktivmaterialien, Leitmitteln, Klebstoffen usw. Zunächst werden die Rohstoffe ausgewählt und getrocknet. Im Allgemeinen muss das Leitmittel 8 Stunden lang bei ca. 120 °C und der Klebstoff PVDF 8 Stunden lang bei ca. 80 °C getrocknet werden. Ob Aktivmaterialien (LFP, NCM usw.) getrocknet werden müssen, hängt vom Zustand der Rohstoffe ab. In gängigen Lithiumbatterie-Werkstätten gelten derzeit Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen von ≤ 40 °C bzw. ≤ 25 % relativer Luftfeuchtigkeit. Nach Abschluss der Trocknung muss der PVDF-Klebstoff (PVDF-Lösungsmittel, NMP-Lösung) vorbereitet werden. Die Qualität des PVDF-Klebstoffs ist entscheidend für den Innenwiderstand und die elektrische Leistung der Batterie. Faktoren, die die Klebstoffapplikation beeinflussen, sind Temperatur und Rührgeschwindigkeit. Höhere Temperaturen führen zu einer Vergilbung des Klebstoffs, was die Haftung beeinträchtigt. Bei zu hoher Rührgeschwindigkeit kann der Klebstoff leicht beschädigt werden. Die optimale Drehzahl hängt von der Größe der Dispersionsscheibe ab. Im Allgemeinen beträgt die lineare Geschwindigkeit der Dispersionsscheibe 10–15 m/s (geräteabhängig). Währenddessen muss die Wasserzirkulation im Mischbehälter eingeschaltet werden, und die Temperatur sollte ≤ 30 °C betragen.

Die Kathodensuspension wird portionsweise zugegeben. Dabei ist die Reihenfolge der Materialzugabe unbedingt zu beachten. Zuerst werden das Aktivmaterial und das Leitmittel hinzugegeben und langsam umgerührt, anschließend wird der Klebstoff hinzugefügt. Dosierungszeit und Dosierungsverhältnis müssen gemäß dem Lithiumbatterie-Herstellungsprozess genau eingehalten werden. Des Weiteren sind die Drehzahl und die Rotationsgeschwindigkeit der Anlage präzise zu kontrollieren. Im Allgemeinen sollte die Dispersionsgeschwindigkeit über 17 m/s liegen. Dies ist abhängig von der Anlagenleistung und kann je nach Hersteller stark variieren. Auch Vakuum und Temperatur der Mischung müssen kontrolliert werden. In dieser Phase sind Partikelgröße und Viskosität der Suspension regelmäßig zu überprüfen. Partikelgröße und Viskosität hängen eng mit dem Feststoffgehalt, den Materialeigenschaften, der Dosierungsreihenfolge und dem Lithiumbatterie-Herstellungsprozess zusammen. Der übliche Prozess erfordert eine Temperatur von ≤ 30 °C, eine relative Luftfeuchtigkeit von ≤ 25 % und ein Vakuum von ≤ -0,085 MPa. Die Suspension wird in einen Transfertank oder eine Lackieranlage überführt. Nach dem Abtransport der Suspension muss diese gesiebt werden. Dadurch werden große Partikel, Ausfällungen und ferromagnetische sowie andere Substanzen entfernt. Große Partikel beeinträchtigen die Beschichtung und können zu übermäßiger Selbstentladung der Batterie oder Kurzschlussgefahr führen; ein zu hoher Anteil an ferromagnetischem Material in der Suspension kann ebenfalls übermäßige Selbstentladung und andere Defekte verursachen. Die Prozessanforderungen für diesen Lithiumbatterie-Produktionsprozess sind: Temperatur ≤ 40 °C, relative Luftfeuchtigkeit ≤ 25 %, Siebmaschenweite ≤ 100 Mesh und Partikelgröße ≤ 15 µm.

Negative ElektrodeZusammensetzung: Die negative Elektrode einer Lithiumbatterie besteht aus Aktivmaterial, Leitfähigkeitsmittel, Bindemittel und Dispergiermittel. Zunächst müssen die Rohstoffe ausgewählt werden. Das traditionelle Anodensystem basiert auf einem wasserbasierten Mischprozess (als Lösungsmittel dient deionisiertes Wasser), daher sind keine besonderen Trocknungsanforderungen an die Rohstoffe erforderlich. Für die Lithiumbatterie-Produktion muss die Leitfähigkeit des deionisierten Wassers ≤ 1 µS/cm betragen. Anforderungen an die Werkstatt: Temperatur ≤ 40 °C, relative Luftfeuchtigkeit ≤ 25 %. Klebstoff vorbereiten: Nach Festlegung der Rohstoffe muss zunächst der Klebstoff (bestehend aus CMC und Wasser) hergestellt werden. Dazu werden Graphit C und Leitfähigkeitsmittel in einen Mischer gegeben und trocken gemischt. Es wird empfohlen, auf Vakuum und Wasserzirkulation zu verzichten, da die Partikel während des Trockenmischens extrudiert, verrieben und erhitzt werden. Die Drehzahl sollte niedrig (15–20 U/min) sein, der Abstreif- und Mahlvorgang 2–3 Mal wiederholt werden, mit einer Pause von ca. 15 Minuten. Den Klebstoff in den Mischer geben und mit dem Vakuumieren beginnen (≤ -0,09 MPa). Das Gummi zweimal mit niedriger Drehzahl (15–20 U/min) pressen, dann die Drehzahl anpassen (niedrige Drehzahl: 35 U/min, hohe Drehzahl: 1200–1500 U/min) und je nach Herstellerangaben 15–60 Minuten lang mischen. Anschließend das SBR in den Mischer geben. Da SBR ein langkettiges Polymer ist, wird langsames Rühren empfohlen. Bei zu hoher Drehzahl über einen längeren Zeitraum können die Molekülketten leicht brechen und ihre Aktivität verlieren. Empfohlen wird, 10–20 Minuten lang mit niedriger Drehzahl (35–40 U/min) und anschließend mit hoher Drehzahl (1200–1800 U/min) zu rühren. Viskosität (2000–4000 mPa·s), Partikelgröße (≤ 35 µm), Feststoffgehalt (40–70 %), Vakuumgrad und Siebmaschenweite (≤ 100 Mesh) prüfen. Die spezifischen Prozesswerte variieren je nach den physikalischen Eigenschaften des Materials und dem Mischprozess. In der Werkstatt sind Temperaturen von ≤ 30 °C und eine relative Luftfeuchtigkeit von ≤ 25 % erforderlich. Kathodenbeschichtung: Der Herstellungsprozess von Lithiumbatterien umfasst das Extrudieren oder Sprühen der Kathodensuspension auf die AB-Oberfläche des Aluminium-Stromkollektors mit einer Flächenbelegung von ≈ 20–40 mg/cm² (ternärer Lithiumbatterietyp). Die Ofentemperatur liegt in der Regel zwischen 4 und 8 K, und die Einbrenntemperatur jedes Abschnitts wird je nach Bedarf zwischen 95 °C und 120 °C eingestellt, um Querrisse und Lösungsmittelabtropfen während des Einbrennprozesses zu vermeiden. Das Geschwindigkeitsverhältnis der Transferbeschichtungswalze beträgt 1,1–1,2, und der Spalt wird um 20–30 µm verringert, um eine übermäßige Verdichtung der Beschichtung durch Materialablagerungen während der Ladezyklen und damit eine mögliche Lithiumausfällung zu verhindern. Die Feuchtigkeit der Beschichtung beträgt ≤ 2000–3000 ppm (material- und prozessabhängig). Die Temperatur der positiven Elektrode in der Werkstatt beträgt ≤ 30 °C und die Luftfeuchtigkeit ≤ 25 %. Das Schema ist wie folgt: Schematische Darstellung des Beschichtungsbandes

DerLithiumbatterieherstellungProzessnegative ElektrodenbeschichtungBezeichnet das Extrudieren oder Sprühen einer negativen Elektrodenpaste auf die AB-Oberfläche des Kupferstromkollektors. Die Flächendichte beträgt ca. 10–15 mg/cm². Die Temperatur im Beschichtungsofen ist üblicherweise in 4–8 (oder mehr) Abschnitte unterteilt, wobei die Einbrenntemperatur jedes Abschnitts 80–105 °C beträgt. Sie kann je nach Bedarf angepasst werden, um Einbrenn- und Querrisse zu vermeiden. Das Geschwindigkeitsverhältnis der Transferwalze beträgt 1,2–1,3, der Spalt 10–15 µm, die Lackkonzentration ≤ 3000 ppm, die Temperatur der negativen Elektrode in der Werkstatt ≤ 30 °C und die Luftfeuchtigkeit ≤ 25 %. Nach dem Trocknen der positiven Beschichtung der positiven Platte muss die Walze innerhalb der Prozesszeit ausgerichtet werden. Die Walze dient zum Verdichten des Elektrodenmaterials (Masse des Beschichtungsmaterials pro Volumeneinheit). Derzeit gibt es zwei Pressverfahren für positive Elektroden in der Lithiumbatterieherstellung: Heißpressen und Kaltpressen. Im Vergleich zum Kaltpressen bietet das Heißpressen eine höhere Verdichtung und eine geringere Rückfederung. Das Kaltpressverfahren ist jedoch relativ einfach und leicht zu bedienen und zu steuern. Die Hauptaufgabe der Walzenpresse besteht darin, die folgenden Prozesswerte zu erreichen: Verdichtungsdichte, Rückfederung und Dehnung. Dabei ist zu beachten, dass sich keine spröden Späne, harten Klumpen, Materialabfälle, wellige Kanten usw. auf der Oberfläche des Werkstücks befinden dürfen und dass keine Brüche in den Spalten auftreten dürfen. Die Umgebungstemperatur in der Werkstatt beträgt ≤ 23 °C und die Luftfeuchtigkeit ≤ 25 %. Die Reindichte der gängigen Werkstoffe beträgt:

Üblicherweise angewandte Verdichtungsmethoden:

Rückprallrate: allgemeiner Rückprall 2-3 μm

Dehnung: Die positive Elektrodenfolie beträgt im Allgemeinen ≈1,002

Nach Fertigstellung der positiven Elektrodenrolle wird diese in gleich breite Streifen (entsprechend der Batteriehöhe) unterteilt. Beim Schneiden ist auf Grate am Polstück zu achten. Die Polstücke müssen mithilfe eines 2D-Messgeräts in X- und Y-Richtung auf Grate geprüft werden. Die Längsgratlänge (Y) darf maximal die Hälfte der Membrandicke (H) betragen. Die Umgebungstemperatur in der Werkstatt sollte ≤ 23 °C und der Taupunkt ≤ -30 °C sein. Die Herstellung der negativen Elektrodenfolien für Lithiumbatterien erfolgt analog zu der der positiven Elektroden, jedoch mit unterschiedlicher Prozessauslegung. Die Umgebungstemperatur in der Werkstatt sollte ≤ 23 °C und die relative Luftfeuchtigkeit ≤ 25 % betragen. Reindichte gängiger negativer Elektrodenmaterialien:

Übliche Verdichtung der negativen Elektrode: Rückprallrate: Typischer Rückprall 4–8 µm. Dehnung: Positive Platte im Allgemeinen ≈ 1,002. Der Produktionsprozess des Abisolierens der positiven Elektrode von Lithiumbatterien ähnelt dem Abisolieren der positiven Elektrode selbst, wobei in beiden Fällen die Grate in X- und Y-Richtung kontrolliert werden müssen. Die Umgebungstemperatur in der Werkstatt sollte ≤ 23 °C und der Taupunkt ≤ -30 °C betragen. Nach dem Abisolieren muss die positive Platte getrocknet (120 °C) und anschließend mit dem Aluminiumblech verschweißt und verpackt werden. Dabei sind die Länge der Polfahnen und die Formbreite zu berücksichtigen. Am Beispiel des **650-Designs (wie z. B. der 18650-Batterie) zeigt sich, dass bei der Konstruktion mit freiliegenden Polfahnen vor allem auf ein optimales Zusammenwirken der Kathodenfahnen beim Schweißen von Kappe und Walznut geachtet werden muss. Sind die Polfahnen zu lange freiliegend, kann es beim Walzprozess leicht zu einem Kurzschluss zwischen den Polfahnen und dem Stahlgehäuse kommen. Ist die Lötöse zu kurz, kann die Kappe nicht verlötet werden. Derzeit gibt es zwei Arten von Ultraschall-Schweißköpfen: lineare und punktförmige. Inländische Verfahren verwenden aufgrund von Überstrom- und Schweißfestigkeitsbedenken meist lineare Schweißköpfe. Zusätzlich wird Hochtemperaturkleber verwendet, um die Lötösen abzudecken und so Kurzschlüsse durch Metallgrate und -späne zu vermeiden. Die Umgebungstemperatur in der Werkstatt sollte ≤ 23 °C, der Taupunkt ≤ -30 °C und der Feuchtigkeitsgehalt der Kathode ≤ 500–1000 ppm betragen.

NegativplattenpräparationDie negative Elektrode muss getrocknet werden (105–110 °C), anschließend werden die Nickelbleche verschweißt und verpackt. Lötanschlusslänge und Formbreite sind zu berücksichtigen. Die Umgebungstemperatur in der Werkstatt sollte ≤ 23 °C, der Taupunkt ≤ -30 °C und der Feuchtigkeitsgehalt der negativen Elektrode ≤ 500–1000 ppm betragen. Beim Wickeln werden Separator, positives und negatives Elektrodenblech mithilfe einer Wickelmaschine um einen Eisenkern gewickelt. Dabei wird die positive Elektrode mit der negativen Elektrode umwickelt und anschließend durch einen Separator getrennt. Da die negative Elektrode im herkömmlichen System die Kontrollelektrode der Batterie ist, ist ihre Kapazität höher als die der positiven Elektrode. So können während der Formierungsladung die Li+-Ionen der positiven Elektrode in den „Leerstellen“ der negativen Elektrode gespeichert werden. Beim Wickeln ist besondere Sorgfalt auf die Wickelspannung und die Polstückanordnung zu legen. Eine zu geringe Wickelspannung beeinträchtigt den Innenwiderstand und die Gehäuseeinbaurate. Zu hohe Spannung kann zu Kurzschlüssen oder Absplitterungen führen. Die Ausrichtung bezieht sich auf die relative Position von negativer Elektrode, positiver Elektrode und Separator. Die negative Elektrode ist 59,5 mm breit, die positive Elektrode 58 mm und der Separator 61 mm. Diese drei Komponenten werden während der Wiedergabe ausgerichtet, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Wicklungsspannung liegt üblicherweise zwischen 0,08 und 0,15 MPa für den positiven Pol, 0,08 und 0,15 MPa für den negativen Pol, 0,08 und 0,15 MPa für die obere Membran und 0,08 und 0,15 MPa für die untere Membran. Spezifische Einstellungen hängen von der Ausrüstung und dem jeweiligen Prozess ab. Die Umgebungstemperatur in dieser Werkstatt beträgt ≤ 23 °C, der Taupunkt ≤ -30 °C und der Feuchtigkeitsgehalt ≤ 500–1000 ppm.

Bevor der Batteriekern in das Gehäuse eingesetzt wird, ist ein Hochspannungstest (200–500 V) erforderlich (um einen Kurzschluss auszuschließen). Zusätzlich muss der Kern abgesaugt werden, um Staub zu entfernen. Die drei wichtigsten Kontrollpunkte bei Lithiumbatterien sind Feuchtigkeit, Grate und Staub. Nach Abschluss dieser Schritte wird die untere Dichtung in den Batteriekern eingesetzt, die positive Elektrodenfolie so gebogen, dass sie zum Wicklungsloch des Batteriekerns zeigt, und der Kern anschließend senkrecht in das Stahl- oder Aluminiumgehäuse eingeführt. Am Beispiel des Typs 18650: Außendurchmesser ca. 18 mm + Höhe ca. 71,5 mm. Ist der Querschnitt des gewickelten Kerns kleiner als der Innenquerschnitt des Stahlgehäuses, beträgt die Einsetzrate ca. 97–98,5 %. Dabei müssen der Rückstellwert des Polstücks und der Grad der Flüssigkeitsdurchdringung beim späteren Einpressen berücksichtigt werden. Die Montage der Deckschicht erfolgt nach dem gleichen Verfahren wie bei der Oberflächenunterlage. Die Umgebungstemperatur in der Werkstatt sollte ≤ 23 °C und der Taupunkt ≤ -40 °C betragen.

RollendEin Lötstift (üblicherweise aus Kupfer oder einer Legierung) wird in die Mitte des Lötkerns eingeführt. Gängige Lötstifte haben einen Durchmesser von 2,5 mm und eine Länge von 1,6 mm. Die Schweißkraft der negativen Elektrode muss mindestens 12 N betragen. Ist sie zu gering, kann es leicht zu unvollständigen Lötstellen und einem zu hohen Innenwiderstand kommen. Ist sie zu hoch, kann die Nickelschicht auf der Oberfläche des Stahlgehäuses abgetragen werden, was zu Lötstellen und damit zu versteckten Gefahren wie Rost und Auslaufen führen kann. Die Walznut dient dazu, den gewickelten Batteriekern wackelfrei im Gehäuse zu fixieren. Bei der Herstellung dieser Lithiumbatterie ist besonders auf die Abstimmung von Querextrusions- und Längspressgeschwindigkeit zu achten. Eine zu hohe Querextrusionsgeschwindigkeit kann dazu führen, dass das Gehäuse nicht durchtrennt wird. Eine zu hohe Längspressgeschwindigkeit kann die Nickelschicht der Kerbe beschädigen oder die Kerbenhöhe beeinträchtigen und somit die Dichtigkeit mindern. Es ist notwendig zu überprüfen, ob die Prozesswerte für Nuttiefe, -ausdehnung und -höhe den Normen entsprechen (durch praktische und theoretische Berechnungen). Gängige Walzendurchmesser sind 1,0, 1,2 und 1,5 mm. Nach dem Walzen der Nut muss die gesamte Maschine erneut evakuiert werden, um Metallspäne zu entfernen. Der Vakuumgrad sollte ≤ -0,065 MPa und die Evakuierungszeit 1–2 s betragen. Die Umgebungstemperatur in dieser Werkstatt muss ≤ 23 °C und der Taupunkt ≤ -40 °C betragen. Nach dem Walzen und Nuten der zylindrischen Batterieplatten ist der nächste Produktionsschritt für Lithiumbatterien entscheidend: das Aushärten. Bei der Herstellung von Batteriezellen wird eine gewisse Menge Feuchtigkeit eingebracht. Wird die Feuchtigkeit nicht rechtzeitig im Normbereich gehalten, werden Leistung und Sicherheit der Batterie ernsthaft beeinträchtigt. Zum Aushärten wird in der Regel ein automatischer Vakuumofen verwendet. Ordnen Sie die zu backenden Zellen ordentlich an, geben Sie das Trockenmittel in den Ofen, stellen Sie die Parameter ein und erhöhen Sie die Temperatur auf 85 °C (am Beispiel von Lithium-Eisenphosphat-Batterien). Im Folgenden sind die Backstandards für verschiedene Batteriezellenspezifikationen aufgeführt:

FlüssigkeitsinjektionDer Herstellungsprozess von Lithiumbatterien umfasst die Feuchtigkeitsprüfung der getrockneten Batteriezellen. Erst nach Erreichen der Trocknungsstandards kann der nächste Schritt erfolgen: das Einfüllen des Elektrolyten. Die getrockneten Batterien werden schnell in eine Vakuum-Handschuhbox gelegt, gewogen und das Gewicht notiert. Anschließend wird der Einfüllbecher aufgesetzt und die vorgesehene Elektrolytmenge eingefüllt (üblicherweise wird ein Test mit immersiver Flüssigkeitszufuhr durchgeführt: Die Batterie wird mittig in den Becher gestellt). Der Batteriekern wird in den Elektrolyten getaucht und für eine bestimmte Zeit eingeweicht. Anschließend wird die maximale Flüssigkeitsaufnahmekapazität der Batterie getestet (üblicherweise wird die Flüssigkeit entsprechend dem Versuchsvolumen eingefüllt). Danach wird die Batterie in eine Vakuumkammer gegeben und evakuiert (Vakuum ≤ -0,09 MPa), um das Eindringen des Elektrolyten in die Elektroden zu beschleunigen. Nach mehreren Zyklen werden die Batteriezellen entnommen und gewogen. Es wird berechnet, ob das eingefüllte Volumen dem Sollwert entspricht. Ist es zu gering, muss Elektrolyt nachgefüllt werden. Ist es zu viel, wird der Überschuss abgelassen, bis die Sollwerte erreicht sind. Die Glovebox-Umgebung erfordert eine Temperatur von ≤23℃ und einen Taupunkt von ≤-45℃.

SchweißenWährend des Herstellungsprozesses dieser Lithiumbatterie sollte der Batteriedeckel vorab im Handschuhfach platziert und mit einer Hand an der unteren Form der Ultraschall-Schweißmaschine fixiert werden, während der Batteriekern mit der anderen Hand gehalten wird. Der Pluspol der Batteriezelle wird mit dem Anschluss des Deckels ausgerichtet. Nach Überprüfung der korrekten Ausrichtung wird die Ultraschall-Schweißmaschine eingeschaltet und der Fußschalter betätigt. Abschließend wird die Batterieeinheit sorgfältig auf die einwandfreie Lötung der Lötstellen geprüft.

Prüfen Sie, ob die Lötösen ausgerichtet sind.

Ziehen Sie vorsichtig an der Lötlasche, um zu prüfen, ob sie locker ist.

Batterien, deren Batteriedeckel nicht fest verschweißt ist, müssen nachgeschweißt werden.