ما هو الفرق بين بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات التدفق؟
1. الاختلافات في عملية التصنيع بين بطاريات الحالة الصلبة والبطاريات السائلة التقليدية
تستخدم بطاريات الحالة الصلبة إلكتروليتات صلبة لتحل محل الإلكتروليت والفاصل في البطاريات السائلة التقليدية. تتكون بطاريات الليثيوم السائلة التقليدية من أربعة عناصر رئيسية: القطب الموجب، والقطب السالب،
إلكتروليت البطارية
و
فاصل
تستخدم البطاريات ذات الحالة الصلبة إلكتروليتات صلبة لتحل محل الإلكتروليت و
فاصل
في البطاريات السائلة التقليدية.
نظراً لأن بطاريات الحالة الصلبة بالكامل تستخدم نظام مواد وهيكل بطارية جديدين، فإن عملية ومعدات تصنيع بطاريات الليثيوم التقليدية الحالية لا تستطيع تحقيق إنتاجها وتصنيعها صناعياً، مما يتطلب ابتكاراً وتطويراً مماثلين. في الوقت الحالي، لم تُنتج بطاريات الحالة الصلبة بالكامل بكميات كبيرة، وبالتالي لم تُستكمل عملية الإنتاج، وستختلف عملية إنتاج وتصنيع أنواع بطاريات الحالة الصلبة المختلفة تبعاً لتصميم البطارية وتطبيقها. مع ذلك، من المؤكد وجود اختلافات جوهرية بين عملية إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بالكامل وعملية إنتاج بطاريات السائل التقليدية الحالية. ويتجلى ذلك بشكل رئيسي في الجوانب التالية:
1.1 رابط إنتاج صفائح الأقطاب الكهربائية الأمامية
-
بطاريات الليثيوم التقليدية: باستخدام تقنية الملاط الرطب والطلاء، يتم خلط المادة الفعالة والعامل الموصل والمادة الرابطة في الملاط ثم يتم طلائها على مجمع التيار، يليها التجفيف والدرفلة.
-
بطارية الحالة الصلبة: إدخال تقنية الأقطاب الكهربائية الجافة، والتخلص من استخدام المذيبات، وتحضير صفائح الأقطاب الكهربائية مباشرةً من خلال عمليات التغليف الجاف والطلاء. بالإضافة إلى ذلك، يجب طلاء غشاء الإلكتروليت ولفه لتشكيل طبقة إلكتروليت صلبة.
1.2 رابط تجميع خلية البطارية في منتصف المرحلة
-
بطارية الليثيوم التقليدية: باستخدام عملية اللف أو التصفيح، يتم لف صفائح الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة والأغشية في خلايا البطارية، ثم يتم حقن الإلكتروليت وتعبئته.
-
بطارية الحالة الصلبة: تُستخدم عملية التصفيح، مع طباعة إطار غراء صفائح الأقطاب الكهربائية، وتقنية الضغط المتوازن لضمان التلامس الوثيق بين الإلكتروليت الصلب والقطب الكهربائي. ولأن جميع بطاريات الحالة الصلبة لا تتطلب إلكتروليتات، تُستغنى عن عملية الحقن.
1.3 رابط ما بعد مرحلة التشكيل والتعبئة والتغليف
-
بطارية الليثيوم التقليدية: بعد التعبئة والتغليف، يتم تنشيط البطارية عن طريق التكوين تحت الضغط المنخفض.
-
البطارية ذات الحالة الصلبة: بسبب متطلبات التوصيل الأيوني العالية للكهارل الصلبة، تميل عملية التكوين إلى أن تكون عالية الضغط لتحسين أداء البطارية.
بشكل عام، الاختلافات الرئيسية بين عملية الإنتاج الأساسية للبطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل وبطاريات الليثيوم السائلة التقليدية هي:
-
في عملية إنتاج صفائح الإلكتروليت الصلب الأمامية، تكون البطاريات ذات الحالة الصلبة أكثر ملاءمة لتقنية الإلكتروليت الجاف، ويتم إضافة الخلط الجاف والطلاء الجاف لتحقيق تحضير غشاء الإلكتروليت الصلب؛
-
في عملية تجميع خلايا البطارية في المرحلة المتوسطة، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة "التكديس + طباعة إطار غراء صفائح الأقطاب الكهربائية + تقنية الضغط المتساوي القياس" لاستبدال عملية اللف التقليدية، وحذف عملية الحقن؛
-
في عملية التشكيل والتعبئة الخلفية، يتم التحويل من التركيبة الكيميائية إلى التركيبة الكيميائية ذات الجهد العالي.
2. عملية البطارية ذات الحالة الصلبة
2.1 تقنية الأقطاب الكهربائية الجافة أكثر ملاءمة للبطاريات ذات الحالة الصلبة
الميزة الأكبر لتقنية الأقطاب الجافة هي قدرتها على زيادة كثافة ضغط الأقطاب، وبالتالي زيادة كثافة طاقة البطارية. تُعد تقنية الأقطاب الجافة نوعًا جديدًا من عمليات تصنيع الأقطاب، وميزتها الأكبر هي قدرتها على زيادة كثافة ضغط الأقطاب. في الوقت الحالي، تستخدم بطاريات الليثيوم بشكل أساسي تقنية تصنيع الأقطاب الرطبة التقليدية. في عملية تصنيع الأقطاب الرطبة، هناك حاجة إلى مذيبات لخلط المواد الفعالة والعوامل الموصلة والمواد الرابطة ثم طلائها على مجمع التيار، ثم تجفيفها واستعادة مذيبات NMP ولفها. تخلط تقنية الأقطاب الجافة مواد الأقطاب مباشرة في مسحوق جاف وتضغطها ميكانيكيًا على مجمع التيار لتشكيل صفيحة قطب. يمكن أن تزيد هذه الطريقة من كثافة ضغط القطب. بالنسبة لبطاريات الحالة الصلبة، تعني كثافة الضغط الأعلى أنه يمكن استيعاب المزيد من مواد الأقطاب الموجبة والسالبة في نفس الحجم، وبالتالي زيادة كثافة طاقة البطارية.
تُعدّ تقنية الأقطاب الجافة أكثر ملاءمةً للبطاريات عالية الكثافة، مثل بطاريات الحالة الصلبة. يُشبه مفهوم تقنية الأقطاب الجافة مفهوم بطاريات الحالة الصلبة. في بطاريات الحالة الصلبة بالكامل، تكون إلكتروليتات الكبريتيد حساسةً للمذيبات العضوية، ويتفاعل الليثيوم المعدني بسهولة مع المذيبات مُسبباً تمدداً. يتميز نظام PVDF-NMP التقليدي بقوة ربط محدودة، بينما يُمكن لبنية الشبكة ثنائية الأبعاد، المُكوّنة من تليف PTFE (بولي تترافلوروإيثيلين)، في القطب الجاف، أن تُثبّط تمدد حجم جزيئات المادة الفعالة، وتمنعها من السقوط من سطح مُجمّع التيار.
بالإضافة إلى ذلك، باستخدام عملية الأقطاب الكهربائية الجافة، يُمكن تجفيف صفائح الأقطاب الكهربائية لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل، مما يُجنّب مشكلة جزيئات المذيبات المتبقية بعد التجفيف في العملية الرطبة. لذا، تُعدّ تقنية الأقطاب الكهربائية الجافة أكثر ملاءمة لإنتاج بطاريات الحالة الصلبة.
تُبسّط تقنية الأقطاب الجافة العملية وتُحسّن الكفاءة، وتتميز بمزايا من حيث التكلفة، وتُسهم في تعزيز تسويق بطاريات الحالة الصلبة. يُمكن لعملية الأقطاب الجافة تبسيط عملية الإنتاج، وخفض التكاليف، وتحسين كفاءة الإنتاج. لا يتطلب تصنيع صفائح الأقطاب الجافة مذيب NMP، ويمكن تقليل روابط التجفيف واستعادة المذيبات في عملية إنتاج صفائح الأقطاب. عملية تصنيع الأقطاب مُتكاملة، حيث يتم دمج عمليات الخلط، واللب، والطلاء، والتجفيف، والدرفلة، وغيرها من العمليات التي تتطلبها العملية الرطبة. سير العملية أبسط، وتشغل المعدات مساحة أصغر. وفقًا لتوقعات نانوكونول، يُمكن للإنتاج الضخم للأقطاب الجافة أن يُخفّض تكاليف البطاريات بأكثر من 10%. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ تقنية الأقطاب الجافة المُبسّطة مناسبة لإنتاج صفائح أقطاب البطاريات على نطاق واسع. لذلك، تُعتبر تقنية الأقطاب الجافة من التقنيات المهمة لتعزيز تسويق بطاريات الحالة الصلبة.
الصعوبة الرئيسية لتقنية الأقطاب الكهربائية الجافة حاليًا: وفقًا لشركة نانوكونول، تكمن الصعوبة الرئيسية لتقنية الأقطاب الكهربائية الجافة حاليًا في تجانس مسحوق مادة الأقطاب الكهربائية المختلطة وتماسك تكوين الغشاء. في مجال المعدات، تتطلب العملية الجافة متطلبات أعلى من حيث دقة وتجانس وكثافة ضغط الدرفلة.
2.2 رابط تجميع خلية البطارية في القسم الأوسط: اعتماد "التكديس + طباعة إطار غراء صفائح الأقطاب الكهربائية + تقنية الضغط المتوازن"
1
آلة تكديس الأقطاب الكهربائية
:البطاريات ذات الحالة الصلبة ليست مناسبة لمعدات اللف، وتحتاج إلى استخدام آلات التكديس، ومتطلبات الدقة العالية.
تحتاج كلٌّ من بطاريات الحالة الصلبة والسائلة إلى استخدام آلات التكديس، ولكن نظرًا لهشاشة الإلكتروليت الصلب في بطاريات الحالة الصلبة ومتطلباته العالية لدقة المعدات واستقرارها، فإنه يتطلب عمليات تكديس أكثر. لذلك، سيزداد الطلب على آلات التكديس اللازمة لتصنيع بطاريات الحالة الصلبة.
② تقنية تغليف إطار غراء صفائح أقطاب البطارية ذات الحالة الصلبة: تحسين ملاءمة صفائح أقطاب البطارية ذات الحالة الصلبة وتجنب مشاكل الدائرة القصيرة الداخلية.
لا تزال عملية إنتاج بطاريات الحالة الصلبة الحالية غير مكتملة، وتعاني من بعض العيوب. عند دمج لفافة صفائح الأقطاب الكهربائية مع صفائح أقطاب كهربائية أخرى بعد عملية القطع لتحضير خلايا بطاريات الحالة الصلبة، يصعب ضمان توافق صفائح الأقطاب الكهربائية المتجاورة، مما يؤدي إلى انخفاض جودة خلايا بطاريات الحالة الصلبة. وفقًا لتقنية براءة الاختراع التي كشفت عنها شركة Liyuanheng، فإنها تقترح طريقة وجهازًا ومعدات تكديس لتغليف صفائح الأقطاب الكهربائية لبطاريات الحالة الصلبة، مما يُحسّن التوافق بين صفائح الأقطاب الكهربائية المتجاورة في خلايا بطاريات الحالة الصلبة، ويضمن جودة خلايا بطاريات الحالة الصلبة.
③ الضغط المتساوي القياس هو أحد المعدات التزايدية الأساسية: يتم استخدام تقنية الضغط المتساوي القياس لتحسين مشكلة اتصال الواجهة الصلبة-الصلبة للبطاريات ذات الحالة الصلبة.
يعتمد إنتاج بطاريات الحالة الصلبة عادةً على تكديس القطب الموجب، والإلكتروليت الصلب، والقطب السالب معًا. ونظرًا لضرورة تلامس الإلكتروليت الصلب جيدًا مع القطب، فسيحدث فقدان للتلامس أثناء الدورة، ويجب منع تكوّن شجيرات الليثيوم، وما إلى ذلك. يتطلب التكديس معدات ضغط جديدة، ويُطبّق ضغط يزيد عن 100 ميجا باسكال لجعل المواد متراصة بكثافة. توفر حلول الضغط الساخن والضغط الأسطواني التقليدية ضغطًا محدودًا وغير متساوٍ، مما يُصعّب ضمان متطلبات الاتساق للتكديس الكثيف، مما يؤثر على أداء بطاريات الحالة الصلبة.
تعتمد تقنية الضغط المتساوي التضاغط على مبدأ باسكال. يمكن تكثيف مواد مثل المعادن والسيراميك والمواد المركبة والبوليمرات وإزالة المسام. بالنسبة لبطاريات الحالة الصلبة، تُزيل تقنية الضغط المتساوي التضاغط الفجوات داخل خلية البطارية بفعالية، وتضمن وصول مادة الإلكتروليت إلى درجة التكثيف المثالية، وتُحسّن تأثير التلامس بين واجهات مكونات خلية البطارية، مما يُحسّن بشكل كبير من موصلية الأيونات بأكثر من 30%، ويُقلل من المقاومة الداخلية للبطارية بأكثر من 20%، ويزيد من عمر دورة البطارية بنسبة 40%، مما يُحسّن أداء البطارية بشكل كبير. الجهاز المطلوب للضغط المتساوي التضاغط هو مكبس متساوي التضاغط.
التحديات التي تواجهها تقنية الضغط المتساوي الضغط حاليًا في مجال تصنيع بطاريات الحالة الصلبة: تُعدّ تقنية الضغط المتساوي الضغط بحد ذاتها تقنية ناضجة، وتُستخدم على نطاق واسع في صناعة السيراميك، ومساحيق المعادن، وغيرها من المجالات. ومع ذلك، لا يزال تطبيقها في مجال بطاريات الحالة الصلبة في مرحلة الاستكشاف والتطوير، ومستوى نضجها التقني منخفض نسبيًا. في الوقت الحالي، لا يزال الترويج لتقنية الضغط المتساوي الضغط في مجال بطاريات الحالة الصلبة يواجه تحديات، مثل كيفية اختيار درجة حرارة الضغط المناسبة ومزيج الضغط، وكيفية التحكم في سطح الضغط، وكيفية تحسين كفاءة الإنتاج وزيادة العائد.
3. رابط ما بعد مرحلة التشكيل والتعبئة: معدات تشكيل عالية الجهد جديدة
يتراوح ضغط تكوين بطاريات الليثيوم التقليدية بين 3 و10 أطنان، بينما يرتفع إلى 60-80 طنًا في بطاريات الحالة الصلبة. ويكمن السبب الرئيسي وراء احتياج بطاريات الحالة الصلبة إلى تكوين جهد عالي في خصائصها الفريدة لواجهة المواد الصلبة وآلية توصيل الأيونات، والتي تختلف اختلافًا جوهريًا عن عملية تكوين البطاريات السائلة التقليدية.
① حل مشكلة تلامس واجهة المواد الصلبة: يكون التلامس بين الإلكتروليت الصلب والقطب الكهربائي جامدًا، مع وجود فجوات مجهرية وضعف في التلامس. يجب الضغط بقوة عالية (عادةً 60-100 ميجا باسكال) لإزالة فجوات الواجهة وزيادة مساحة التلامس الفعالة، مما يعزز الترابط الفيزيائي/الكيميائي بين الإلكتروليت الصلب والقطب الكهربائي.
② تنشيط قناة توصيل الأيونات: يتمتع الإلكتروليت الصلب بموصلية أيونية منخفضة، ويتطلب تكوين جهد عالي لإجبار أيونات الليثيوم على اختراق حاجز الواجهة الصلبة-الصلبة، وتشكيل شبكة توصيل أيونية عند الواجهة، وتقليل معاوقة الواجهة.
أسي للطاقة الجديدة
متخصصة في البحث وتصنيع معدات متطورة لبطاريات أيونات الليثيوم. لا نوفر فقط مجموعة كاملة من معدات البحث والتطوير لمختبرات بطاريات أيونات الليثيوم الأسطوانية، والخلايا المعدنية، والخلايا الكيسية، بل نقدم أيضًا حلولاً شاملة لـ
خط إنتاج بطاريات الليثيوم أيون
إذا كنت جديدًا في صناعة بطاريات الليثيوم أيون وترغب في بناء خط إنتاج بطاريات الليثيوم أيون الخاص بك أو خط تجميع حزمة بطاريات الليثيوم أيون، فيمكننا أن نقدم لك الدعم الفني والتوجيه المهني، فلا تتردد في الاتصال بنا!
