مع التطور السريع لـبطارية الليثيومفي قطاع الصناعة، تتوسع تطبيقات بطاريات الليثيوم باستمرار لتصبح جهازًا أساسيًا للطاقة في حياة الناس وعملهم. وفيما يتعلق بعملية إنتاج بطاريات الليثيوم المُخصصة، تشمل هذه العملية بشكل رئيسي المكونات، والطلاء، والتشكيل، والتحضير، واللف، والتغليف، والدرفلة، والتجفيف، وحقن السائل، واللحام، وغيرها. فيما يلي شرح لأهم نقاط عملية إنتاج بطاريات الليثيوم. مكونات القطب الموجب: يتكون القطب الموجب لبطاريات الليثيوم من مواد فعالة، ومواد موصلة، ومواد لاصقة، وغيرها. في البداية، يتم التأكد من جودة المواد الخام وتجفيفها. بشكل عام، تحتاج المادة الموصلة إلى التجفيف عند درجة حرارة 120 درجة مئوية تقريبًا لمدة 8 ساعات، بينما يحتاج اللاصق PVDF إلى التجفيف عند درجة حرارة 80 درجة مئوية تقريبًا لمدة 8 ساعات. أما بالنسبة للمواد الفعالة (مثل LFP وNCM)، فإن الحاجة إلى التجفيف والتجفيف تعتمد على حالة المواد الخام. في الوقت الحالي، تتطلب ورش تصنيع بطاريات الليثيوم عادةً درجة حرارة لا تتجاوز 40 درجة مئوية ورطوبة نسبية لا تتجاوز 25%. بعد اكتمال التجفيف، يجب تحضير غراء PVDF (مذيب PVDF، محلول NMP) مسبقًا. تُعد جودة غراء PVDF بالغة الأهمية للمقاومة الداخلية والأداء الكهربائي للبطارية. تشمل العوامل المؤثرة على استخدام الغراء درجة الحرارة وسرعة التحريك. كلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد اصفرار الغراء مما يؤثر على قوة الالتصاق. في حال كانت سرعة الخلط عالية جدًا، قد يتلف الغراء بسهولة. تعتمد سرعة الدوران المحددة على حجم قرص التشتيت. بشكل عام، تتراوح السرعة الخطية لقرص التشتيت بين 10 و15 مترًا في الثانية (حسب الجهاز). عند هذه السرعة، يجب تشغيل خزان الخلط مع تشغيل الماء المتدفق، ويجب ألا تتجاوز درجة الحرارة 30 درجة مئوية.

أضف معجون الكاثود على دفعات. في هذه المرحلة، يجب الانتباه إلى ترتيب إضافة المواد. أضف أولًا المادة الفعالة والمادة الموصلة، مع التقليب ببطء، ثم أضف المادة اللاصقة. يجب الالتزام بدقة بوقت ونسبة التغذية وفقًا لعملية إنتاج بطاريات الليثيوم. ثانيًا، يجب التحكم بدقة في سرعة دوران الجهاز. عمومًا، يجب أن تكون سرعة التشتيت الخطية أعلى من 17 مترًا/ثانية. يعتمد هذا على أداء الجهاز، ويختلف اختلافًا كبيرًا بين الشركات المصنعة. تحكم أيضًا في مستوى الفراغ ودرجة حرارة الخلط. في هذه المرحلة، يجب فحص حجم الجسيمات ولزوجة المعجون بانتظام. يرتبط حجم الجسيمات واللزوجة ارتباطًا وثيقًا بالمحتوى الصلب وخصائص المواد وتسلسل التغذية وعملية تصنيع بطاريات الليثيوم. تتطلب العملية التقليدية درجة حرارة ≤ 30 درجة مئوية، ورطوبة نسبية ≤ 25%، ومستوى فراغ ≤ -0.085 ميجا باسكال. انقل المعجون إلى خزان النقل أو ورشة الطلاء. بعد نقل المادة المعلقة، يجب غربلتها. والهدف من ذلك هو ترشيح الجزيئات الكبيرة، وترسيب المواد المغناطيسية الحديدية، وإزالة المواد الأخرى. تؤثر الجزيئات الكبيرة على الطلاء وقد تتسبب في تفريغ ذاتي مفرط للبطارية أو خطر حدوث ماس كهربائي؛ كما أن وجود كمية كبيرة من المواد المغناطيسية الحديدية في المادة المعلقة قد يتسبب في تفريغ ذاتي مفرط للبطارية وعيوب أخرى. متطلبات عملية إنتاج بطاريات الليثيوم هذه هي: درجة حرارة ≤ 40 درجة مئوية، رطوبة نسبية ≤ 25%، حجم فتحات الغربال ≤ 100 مش، وحجم الجزيئات ≤ 15 ميكرومتر.

القطب السالبمكونات القطب السالب لبطارية الليثيوم: يتكون من مادة فعالة، وموصل، ومادة رابطة، ومشتت. أولًا، تأكد من المواد الخام. نظام الأنود التقليدي هو عملية خلط مائية (المذيب هو الماء منزوع الأيونات)، لذا لا توجد متطلبات تجفيف خاصة للمواد الخام. تتطلب عملية إنتاج بطارية الليثيوم أن تكون موصلية الماء منزوع الأيونات ≤ 1 ميكروسيمنز/سم. متطلبات ورشة العمل: درجة حرارة ≤ 40 درجة مئوية، رطوبة نسبية ≤ 25%. تحضير المادة اللاصقة: بعد تحديد المواد الخام، يجب تحضير المادة اللاصقة (المكونة من كربوكسي ميثيل السليلوز والماء). في هذه المرحلة، صب الجرافيت C والموصل في الخلاط للخلط الجاف. يُنصح بعدم استخدام التفريغ أو تشغيل الماء المتدفق، لأن الجزيئات تتعرض للضغط والفرك والتسخين أثناء الخلط الجاف. سرعة الدوران منخفضة (15-20 دورة في الدقيقة)، وعدد دورات الكشط والطحن من 2 إلى 3 مرات، والفاصل الزمني بين كل دورة 15 دقيقة تقريبًا. صبّ الغراء في الخلاط وابدأ عملية التفريغ (≤ -0.09 ميجا باسكال). اعصر المطاط بسرعة منخفضة تتراوح بين 15 و20 دورة في الدقيقة مرتين، ثم اضبط السرعة (سرعة منخفضة 35 دورة في الدقيقة، سرعة عالية 1200-1500 دورة في الدقيقة)، وشغّل الخلاط لمدة تتراوح بين 15 و60 دقيقة وفقًا لطريقة المعالجة الرطبة لكل مصنّع. أخيرًا، صبّ مطاط الستايرين بوتادين (SBR) في الخلاط. يُنصح بالتحريك بسرعة منخفضة لأن مطاط الستايرين بوتادين بوليمر ذو سلسلة طويلة. إذا كانت سرعة الدوران عالية جدًا لفترة طويلة، فإن السلسلة الجزيئية ستتكسر بسهولة وتفقد فعاليتها. يُنصح بالتحريك بسرعة منخفضة تتراوح بين 35 و40 دورة في الدقيقة وسرعة عالية تتراوح بين 1200 و1800 دورة في الدقيقة لمدة تتراوح بين 10 و20 دقيقة. اختبر اللزوجة (2000-4000 ملي باسكال.ثانية)، وحجم الجسيمات (35 ميكرومتر ≤)، والمحتوى الصلب (40-70%)، ودرجة التفريغ، وفتحات المنخل (≤ 100 مش). تختلف قيم العملية المحددة تبعًا للخصائص الفيزيائية للمادة وعملية الخلط. تتطلب ورشة العمل درجة حرارة ≤ 30 درجة مئوية ورطوبة نسبية ≤ 25%. طلاء الكاثود: تشير عملية تصنيع بطاريات الليثيوم إلى بثق أو رش معجون الكاثود على السطح AB لجامع التيار المصنوع من الألومنيوم، بكثافة سطحية واحدة تبلغ ≈ 20-40 ملغم/سم² (نوع بطارية الليثيوم الثلاثية). تتراوح درجة حرارة الفرن عمومًا بين 4 و8 درجات مئوية، ويتم ضبط درجة حرارة الخبز لكل قسم بين 95 و120 درجة مئوية وفقًا للاحتياجات الفعلية لتجنب التشققات العرضية وتقطير المذيب أثناء عملية الخبز. تبلغ نسبة سرعة أسطوانة نقل الطلاء 1.1-1.2، ويتم ترقيق موضع الفجوة بمقدار 20-30 ميكرومتر لتجنب الضغط المفرط لموضع الملصق بسبب التذييل أثناء دورات شحن البطارية، مما قد يؤدي إلى ترسب الليثيوم. نسبة الرطوبة في الطلاء ≤ 2000-3000 جزء في المليون (حسب المادة والعملية). درجة حرارة القطب الموجب في ورشة العمل ≤ 30 درجة مئوية، والرطوبة ≤ 25%. الرسم التخطيطي كما يلي: الرسم التخطيطي لشريط الطلاء

التصنيع بطاريات الليثيومعمليةطلاء القطب السالبيشير هذا إلى عملية بثق أو رش معجون القطب السالب على السطح AB لجامع التيار النحاسي. تبلغ كثافة السطح الواحد حوالي 10-15 ملغم/سم². تتكون درجة حرارة فرن الطلاء عادةً من 4-8 أقسام (أو أكثر)، وتتراوح درجة حرارة الخبز لكل قسم بين 80-105 درجة مئوية. يمكن تعديلها وفقًا للاحتياجات الفعلية لتجنب تشققات الخبز والتشققات العرضية. تبلغ نسبة سرعة أسطوانة النقل 1.2-1.3، ويتم ترقيق الفجوة بمقدار 10-15 ميكرومتر، ويكون تركيز الطلاء ≤3000 جزء في المليون، ودرجة حرارة القطب السالب في ورشة العمل ≤30 درجة مئوية، والرطوبة ≤25%. بعد جفاف الطلاء الموجب للوحة الموجبة، يجب محاذاة الأسطوانة خلال وقت العملية. تُستخدم الأسطوانة لضغط صفيحة القطب (كتلة المادة لكل وحدة حجم). حاليًا، توجد طريقتان لضغط القطب الموجب في عملية تصنيع بطاريات الليثيوم: الضغط الساخن والضغط البارد. بالمقارنة مع الكبس على البارد، يتميز الكبس على الساخن بكثافة أعلى ومعدل ارتداد أقل. مع ذلك، تُعد عملية الكبس على البارد بسيطة نسبيًا وسهلة التشغيل والتحكم. تتمثل المهمة الرئيسية للأسطوانة في تحقيق القيم التالية للعملية: كثافة الكبس، ومعدل الارتداد، والاستطالة. في الوقت نفسه، تجدر الإشارة إلى أنه لا يُسمح بوجود رقائق هشة، أو كتل صلبة، أو مواد متساقطة، أو حواف متموجة، وما إلى ذلك على سطح قطعة القضيب، كما لا يُسمح بوجود فواصل في الفراغات. في هذه الحالة، يجب ألا تتجاوز درجة حرارة بيئة ورشة العمل 23 درجة مئوية، والرطوبة 25%. الكثافة الحقيقية للمواد التقليدية الحالية:

أساليب الضغط الشائعة الاستخدام:

معدل الارتداد: ارتداد عام 2-3 ميكرومتر

الاستطالة: تبلغ استطالة صفيحة القطب الموجب عمومًا ≈1.002

بعد الانتهاء من لفّ القطب الموجب، تتمثل الخطوة التالية في تقسيم قطعة القطب بأكملها إلى شرائح صغيرة متساوية العرض (بحيث يتناسب عرضها مع ارتفاع البطارية). عند التقطيع، يجب الانتباه إلى النتوءات الموجودة على قطعة القطب. من الضروري فحص قطع الأقطاب بدقة بحثًا عن أي نتوءات في الاتجاهين X وY باستخدام جهاز ثنائي الأبعاد. يجب ألا يتجاوز طول النتوءات الطولية Y نصف سمك غشاء القطب H. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة ورشة العمل 23 درجة مئوية، ونقطة الندى -30 درجة مئوية. عملية تصنيع صفائح القطب السالب لبطاريات الليثيوم مماثلة لعملية تصنيع الأقطاب الموجبة، ولكن تصميم العملية يختلف. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة ورشة العمل 23 درجة مئوية، والرطوبة 25%. الكثافة الحقيقية لمواد الأقطاب السالبة الشائعة:

عملية ضغط القطب السالب الشائعة: معدل الارتداد: ارتداد عام 4-8 ميكرومتر. الاستطالة: الصفيحة الموجبة عمومًا ≈ 1.002. تشبه عملية إنتاج تجريد القطب الموجب لبطاريات الليثيوم عملية تجريد القطب الموجب، وكلاهما يتطلب التحكم في النتوءات في الاتجاهين X وY. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة ورشة العمل 23 درجة مئوية، ونقطة الندى -30 درجة مئوية. بعد تجهيز الصفيحة الموجبة للتجريد، يجب تجفيفها (120 درجة مئوية)، ثم لحام صفيحة الألومنيوم وتغليفها. خلال هذه العملية، يجب مراعاة طول اللسان وعرض القالب. على سبيل المثال، في تصميم **650 (مثل بطارية 18650)، يهدف التصميم ذو الألسنة المكشوفة بشكل أساسي إلى ضمان التفاعل الأمثل لألسنة الكاثود أثناء لحام الغطاء وأخدود الدرفلة. إذا ظلت ألسنة القطب مكشوفة لفترة طويلة جدًا، فقد يحدث قصر كهربائي بسهولة بين ألسنة القطب والهيكل الفولاذي أثناء عملية الدرفلة. إذا كان طرف التوصيل قصيرًا جدًا، فلا يمكن لحام الغطاء. يوجد حاليًا نوعان من رؤوس اللحام بالموجات فوق الصوتية: خطية ونقطية الشكل. تستخدم العمليات المحلية في الغالب رؤوس اللحام الخطية نظرًا لاعتبارات التيار الزائد وقوة اللحام. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم غراء مقاوم للحرارة العالية لتغطية أطراف اللحام، وذلك لتجنب خطر حدوث دوائر قصر ناتجة عن نتوءات وبقايا معدنية. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة ورشة العمل 23 درجة مئوية، ونقطة الندى -30 درجة مئوية، ومحتوى رطوبة الكاثود 500-1000 جزء في المليون.

تحضير اللوحة السلبيةيجب تجفيف الصفيحة السالبة (105-110 درجة مئوية)، ثم تُلحم صفائح النيكل وتُغلف. يجب مراعاة طول طرف اللحام وعرض التشكيل. ينبغي ألا تتجاوز درجة حرارة ورشة العمل 23 درجة مئوية، ونقطة الندى -30 درجة مئوية، ومحتوى الرطوبة في القطب السالب 500-1000 جزء في المليون. تتم عملية اللف بلف الفاصل وصفيحة القطب الموجب وصفيحة القطب السالب في قلب حديدي باستخدام آلة لف. تعتمد الفكرة على لف القطب الموجب بالقطب السالب، ثم فصل القطبين الموجب والسالب بواسطة فاصل. بما أن القطب السالب في النظام التقليدي هو قطب التحكم في تصميم البطارية، فإن سعته أعلى من سعة القطب الموجب، بحيث يمكن تخزين أيونات الليثيوم (Li+) من القطب الموجب في "الفراغ" الموجود في القطب السالب أثناء عملية الشحن. يجب إيلاء اهتمام خاص لشد اللف وترتيب أقطاب البطارية أثناء عملية اللف. يؤثر انخفاض شد اللفائف على المقاومة الداخلية وسرعة إدخال الغلاف. أما الشد الزائد فقد يؤدي إلى خطر حدوث ماس كهربائي أو تلف. يشير مصطلح "المحاذاة" إلى الوضع النسبي للقطب السالب والقطب الموجب والفاصل. يبلغ عرض القطب السالب 59.5 مم، والقطب الموجب 58 مم، والفاصل 61 مم. تتم محاذاة هذه العناصر الثلاثة أثناء التشغيل لتجنب خطر حدوث ماس كهربائي. يتراوح شد اللفائف عادةً بين 0.08 و0.15 ميجا باسكال للقطب الموجب، وبين 0.08 و0.15 ميجا باسكال للقطب السالب، وبين 0.08 و0.15 ميجا باسكال للغشاء العلوي، وبين 0.08 و0.15 ميجا باسكال للغشاء السفلي. وتعتمد التعديلات المحددة على الجهاز والعملية المستخدمة. درجة الحرارة المحيطة في هذه الورشة هي ≤23 درجة مئوية، ونقطة الندى هي ≤-30 درجة مئوية، ومحتوى الرطوبة هو ≤500-1000 جزء في المليون.

قبل تركيب قلب البطارية المغلف في الغلاف، يلزم إجراء اختبار جهد عالٍ (Hi-Pot) بجهد يتراوح بين 200 و500 فولت (للتأكد من عدم وجود قصر في دائرة البطارية عالية الجهد)، كما يلزم تنظيفها بالمكنسة الكهربائية للتحكم في الغبار قبل تركيبها. تُعدّ الرطوبة والنتوءات والغبار من أهم عوامل التحكم في بطاريات الليثيوم. بعد إتمام هذه الخطوات، يتم إدخال الحشية السفلية في قاعدة قلب البطارية، ثم ثني صفيحة القطب الموجب بحيث يكون سطحها مواجهًا لفتحة دبوس لف قلب البطارية، وأخيرًا يتم إدخالها عموديًا في الغلاف الفولاذي أو الألومنيوم. على سبيل المثال، يبلغ القطر الخارجي لبطارية 18650 حوالي 18 مم، والارتفاع حوالي 71.5 مم. عندما تكون مساحة المقطع العرضي للقلب الملفوف أصغر من مساحة المقطع العرضي الداخلي للغلاف الفولاذي، تتراوح نسبة إدخال الغلاف الفولاذي بين 97% و98.5% تقريبًا. يجب مراعاة قيمة ارتداد قطعة القطب ودرجة اختراق السائل أثناء الحقن اللاحق. تتضمن عملية تركيب الطبقة السفلية العلوية نفس عملية تركيب الطبقة السفلية السطحية. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة ورشة العمل 23 درجة مئوية، وأن تكون نقطة الندى أقل من أو تساوي -40 درجة مئوية.

التدحرجيتم إدخال دبوس لحام (مصنوع عادةً من النحاس أو سبيكة معدنية) في منتصف قلب اللحام. دبابيس اللحام الشائعة الاستخدام هي Φ2.5*1.6 مم، ويجب أن تكون قوة لحام القطب السالب ≥12 نيوتن لتكون مناسبة. إذا كانت القوة منخفضة جدًا، فسيؤدي ذلك بسهولة إلى لحام غير مكتمل ومقاومة داخلية زائدة. أما إذا كانت عالية جدًا، فمن السهل أن تتآكل طبقة النيكل على سطح الغلاف الفولاذي، مما ينتج عنه وصلات لحام غير سليمة، ويؤدي إلى مخاطر خفية مثل الصدأ والتسرب. يكمن الهدف الأساسي من عملية تشكيل الأخاديد في تثبيت قلب البطارية الملفوف على الغلاف دون اهتزاز. في عملية تصنيع بطارية الليثيوم هذه، يجب إيلاء اهتمام خاص لمطابقة سرعة البثق العرضي وسرعة الضغط الطولي لتجنب قطع الغلاف بسرعة عرضية عالية جدًا، كما أن طبقة النيكل في الشق ستسقط إذا كانت السرعة الطولية عالية جدًا، أو سيتأثر ارتفاع الشق، مما يؤثر على عملية الإحكام. من الضروري التحقق من توافق قيم عملية عمق الأخدود وامتداده وارتفاعه مع المعايير (عن طريق الحسابات العملية والنظرية). تتراوح أحجام أسطح التشكيل الشائعة بين 1.0 و1.2 و1.5 مم. بعد الانتهاء من تشكيل الأخدود، يجب تفريغ الجهاز بالكامل من الهواء مرة أخرى لتجنب تراكم مخلفات المعدن. يجب ألا تتجاوز درجة التفريغ -0.065 ميجا باسكال، وأن تتراوح مدة التفريغ بين 1 و2 ثانية. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة الغرفة في هذه الورشة 23 درجة مئوية، وألا تتجاوز نقطة الندى -40 درجة مئوية. بعد تشكيل أسطوانات صفائح البطارية وتشكيل الأخدود، تأتي مرحلة بالغة الأهمية في إنتاج بطاريات الليثيوم: وهي عملية الخبز. أثناء إنتاج خلايا البطارية، تدخل كمية معينة من الرطوبة. إذا لم يتم التحكم في الرطوبة ضمن النطاق القياسي في الوقت المناسب، فسيتأثر أداء البطارية وسلامتها بشكل خطير. عادةً ما يُستخدم فرن تفريغ أوتوماتيكي للخبز. رتب الخلايا المراد خبزها بدقة، وضع مادة التجفيف في الفرن، واضبط الإعدادات، وارفع درجة الحرارة إلى 85 درجة مئوية (مع الأخذ ببطاريات فوسفات الحديد الليثيوم كمثال). فيما يلي معايير الخبز لعدة مواصفات مختلفة لخلايا البطاريات:

حقن سائلةتتضمن عملية تصنيع بطاريات الليثيوم اختبار رطوبة خلايا البطارية بعد معالجتها حراريًا. بعد استيفاء معايير المعالجة الحرارية، يُمكن الانتقال إلى الخطوة التالية: حقن الإلكتروليت. تُوضع البطاريات المعالجة حراريًا بسرعة في صندوق القفازات المفرغ من الهواء، ثم تُوزن وتُسجل الأوزان. بعد ذلك، يُوضع كوب الحقن، ويُضاف إليه الوزن المُحدد من الإلكتروليت (عادةً ما يُجرى اختبار غمر البطارية في سائل: بوضع البطارية في منتصف الكوب). يُغمر قلب البطارية في الإلكتروليت لفترة من الزمن، ثم تُختبر أقصى سعة امتصاص للسائل (عادةً ما يُملأ السائل وفقًا للحجم التجريبي). بعد ذلك، تُوضع البطارية في صندوق مفرغ من الهواء (درجة التفريغ ≤ -0.09 ميجا باسكال) لتسريع اختراق الإلكتروليت إلى القطب. بعد عدة دورات، تُخرج أجزاء البطارية وتُوزن. يُحسب ما إذا كان حجم الحقن يُلبي القيمة المُصممة. إذا كان أقل من المطلوب، يجب إعادة تعبئته. أما إذا كان أكثر من المطلوب، فيُسكب الفائض حتى يُلبي متطلبات التصميم. تتطلب بيئة صندوق القفازات درجة حرارة ≤23 درجة مئوية ونقطة ندى ≤-45 درجة مئوية.

اللحامأثناء عملية تصنيع بطارية الليثيوم هذه، يجب وضع غطاء البطارية في صندوق القفازات مسبقًا، ثم تثبيته على القالب السفلي لآلة اللحام الفائقة بيد واحدة، مع تثبيت قلب البطارية باليد الأخرى. يجب محاذاة الطرف الموجب لخلية البطارية مع طرف غطاء البطارية. بعد التأكد من محاذاة الطرف الموجب مع طرف غطاء البطارية، يتم تشغيل آلة اللحام بالموجات فوق الصوتية، ثم يتم الضغط على دواسة القدم الخاصة بها. بعد ذلك، يجب فحص وحدة البطارية بالكامل للتأكد من جودة لحام أطراف التوصيل.

لاحظ ما إذا كانت أطراف اللحام متوازية.

اسحب برفق طرف اللحام للتأكد من أنه ليس مرتخياً.

البطاريات التي لا يكون غطاء البطارية ملحومًا بإحكام تحتاج إلى إعادة لحام.