กระบวนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม

2025-03-26

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นระบบที่ซับซ้อน ประกอบด้วยขั้วบวก ขั้วลบ แผ่นกั้น อิเล็กโทรไลต์ ตัวเก็บของเหลว และสารยึดเกาะ ตัวนำไฟฟ้า เป็นต้น ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องรวมถึงปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าของขั้วบวกและขั้วลบ การนำไอออนลิเธียม การนำอิเล็กตรอน และการแพร่กระจายความร้อน เป็นต้น กระบวนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมใช้เวลานาน มีมากกว่า 50 ขั้นตอน

แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถแบ่งออกเป็นแบตเตอรี่ทรงกระบอก แบตเตอรี่สี่เหลี่ยม และแบตเตอรี่บรรจุภัณฑ์นุ่มตามรูปแบบ และกระบวนการผลิตมีความแตกต่างกันบ้าง แต่โดยรวมแล้ว กระบวนการผลิตลิเธียมสามารถแบ่งออกเป็นขั้นตอนแรก (การผลิตขั้ว) ขั้นตอนกลาง (การสังเคราะห์เซลล์) และขั้นตอนสุดท้าย (การขึ้นรูปและบรรจุภัณฑ์) เนื่องจากประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นสูงมาก จึงมีความต้องการความแม่นยำ เสถียรภาพ และระดับอัตโนมัติของอุปกรณ์แบตเตอรี่ที่สูงในกระบวนการผลิตแบตเตอรี่

อุปกรณ์ไฟฟ้าลิเธียมประกอบด้วยวัสดุแอโนดและแคโทด วัสดุแผ่นกรอง อิเล็กโทรไลต์ และวัตถุดิบอื่น ๆ ผ่านกระบวนการที่เป็นระเบียบ อุปกรณ์ไฟฟ้าลิเธียมมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพและต้นทุนของแบตเตอรี่ลิเธียม เป็นหนึ่งในปัจจัยกำหนด ตามกระบวนการเทคโนโลยีที่แตกต่างกัน อุปกรณ์ไฟฟ้าลิเธียมสามารถแบ่งออกเป็นอุปกรณ์ส่วนหน้า อุปกรณ์ส่วนกลาง และอุปกรณ์ส่วนหลัง ในสายการผลิตลิเธียม มูลค่าของอุปกรณ์ส่วนหน้า อุปกรณ์ส่วนกลาง และอุปกรณ์ส่วนหลังมีสัดส่วนประมาณ 4:3:3

วัตถุประสงค์การผลิตในขั้นตอนแรกคือการทำให้เสร็จสิ้นการผลิตแผ่นขั้ว (ขั้วบวกและขั้วลบ)  

กระบวนการหลักของกระบวนการก่อนหน้านี้คือ: การผสม, การเคลือบ, การกดด้วยลูกกลิ้ง, การตัด, การผลิต, การตัดด้วยแม่พิมพ์, อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องหลักๆ ได้แก่: เครื่องผสม, เครื่องเคลือบ, เครื่องกดลูกกลิ้ง, เครื่องตัด, เครื่องผลิต, เครื่องตัดด้วยแม่พิมพ์ และอื่นๆ

การผสมสารละลาย (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องผสมสุญญากาศ) คือการผสมวัสดุแบตเตอรี่ที่เป็นของแข็งขั้วบวกและขั้วลบให้เข้ากันอย่างสม่ำเสมอแล้วจึงเติมตัวทำละลายเพื่อคนให้เป็นสารละลาย การผสมสารละลายเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการก่อนหน้านี้ เป็นการทำให้เสร็จสิ้นการเคลือบ, การกดลูกกลิ้ง และกระบวนการอื่นๆ ก่อนที่จะเริ่มต้น

  การเคลือบ (อุปกรณ์: เครื่องเคลือบ) คือการคนสารละลายให้เข้ากันแล้วเคลือบลงบนฟอยล์โลหะและทำให้แห้งเป็นแผ่นขั้วบวกและขั้วลบ ในฐานะที่เป็นส่วนสำคัญของกระบวนการก่อนหน้านี้ คุณภาพการดำเนินการของกระบวนการเคลือบมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อความสม่ำเสมอ, ความปลอดภัย และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่สำเร็จรูป ดังนั้นเครื่องเคลือบจึงมีมูลค่าสูงสุดในอุปกรณ์ของกระบวนการก่อนหน้านี้

  การกดด้วยลูกกลิ้ง (ใช้อุปกรณ์: เครื่องกดลูกกลิ้ง) คือการบีบอัดแผ่นอิเล็กโทรดที่เคลือบแล้วให้แน่นขึ้นเพื่อเพิ่มความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ ความเรียบของอิเล็กโทรดที่ถูกกดด้วยลูกกลิ้งมีผลโดยตรงต่อผลลัพธ์ของกระบวนการตัดในลำดับถัดไป และความสม่ำเสมอของวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรดมีผลโดยอ้อมต่อประสิทธิภาพของเซลล์

การตัด (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องตัด) คือการตัดม้วนขั้วที่กว้างออกเป็นแผ่นแคบหลายแผ่นตามความกว้างที่ต้องการ ในกระบวนการตัด แผ่นขั้วจะต้องเผชิญกับการแตกหักจากการตัด และระดับขอบหลังการตัด (ไม่มีขอบคม, ไม่มีการบิดเบี้ยว) เป็นกุญแจสำคัญในการประเมินประสิทธิภาพของเครื่องตัด

การทำฟิล์ม (อุปกรณ์: เครื่องทำฟิล์ม) รวมถึงการเชื่อมขั้วหลังจากการตัด, การติดเทปป้องกัน, การห่อขั้ว หรือการใช้เลเซอร์ตัดเพื่อสร้างขั้ว เป็นต้น สำหรับกระบวนการพันในลำดับถัดไป การตัดด้วยแม่พิมพ์ (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องตัดด้วยแม่พิมพ์) คือการเคลือบหลังจากการตัดแผ่นขั้วเพื่อใช้ในกระบวนการถัดไป

เป้าหมายการผลิตของกระบวนการกลางคือการทำให้เสร็จสิ้นการผลิตเซลล์ มีความแตกต่างในเส้นทางเทคนิคและอุปกรณ์สายการผลิตของกระบวนการกลางสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมประเภทต่างๆ  

แก่นแท้ของกระบวนการกลางคือกระบวนการประกอบ โดยเฉพาะคือการประกอบแผ่นขั้ว (ขั้วบวกและขั้วลบ) ที่ทำจากกระบวนการก่อนหน้านี้กับแผ่นกั้นและอิเล็กโทรไลต์อย่างเป็นระเบียบ เนื่องจากโครงสร้างการเก็บพลังงานที่แตกต่างกันของแบตเตอรี่สี่เหลี่ยม (ม้วน), กระบอก (ม้วน) และแพ็คอ่อน (ชั้น) ทำให้มีความแตกต่างอย่างชัดเจนในเส้นทางเทคนิคและอุปกรณ์สายการผลิตของแบตเตอรี่ลิเธียมประเภทต่างๆ ในกระบวนการกลาง โดยเฉพาะกระบวนการกลางของแบตเตอรี่สี่เหลี่ยมและกระบอกหลักๆ จะรวมถึงการพัน, การฉีดของเหลว และการบรรจุ อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องหลักๆ ได้แก่: เครื่องพัน, เครื่องฉีดของเหลว, อุปกรณ์บรรจุ (เครื่องป้อนเปลือก, เครื่องม้วนร่อง, เครื่องปิดผนึก, เครื่องเชื่อม) เป็นต้น กระบวนการหลักของกระบวนการกลางของแบตเตอรี่แพ็คอ่อนคือการทำชั้น, การฉีดของเหลว และการบรรจุ อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องหลักๆ ได้แก่ เครื่องทำชั้น, เครื่องฉีดของเหลว และอุปกรณ์บรรจุ

การพัน (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องพัน)ใช้ในการพันแผ่นโพลีที่ทำโดยกระบวนการผลิตหรือกลไกการตัดด้วยการพันเข้าไปในเซลล์แบตเตอรี่ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมแบบสี่เหลี่ยมและกลม เครื่องพันสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ เครื่องพันแบบสี่เหลี่ยมและเครื่องพันแบบทรงกระบอก ซึ่งใช้สำหรับการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมแบบสี่เหลี่ยมและทรงกระบอก ตามลำดับ เมื่อเปรียบเทียบกับการพันแบบทรงกระบอก กระบวนการพันแบบสี่เหลี่ยมต้องการการควบคุมแรงดึงที่สูงกว่า ดังนั้นเครื่องพันแบบสี่เหลี่ยมจึงมีความยากมากกว่า

การเคลือบ (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องเคลือบ)การเคลือบชิ้นส่วนขั้วเดียวที่ทำในกระบวนการตัดด้วยแม่พิมพ์เข้าสู่เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งใช้หลักๆ ในการผลิตแบตเตอรี่ที่ยืดหยุ่น เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์สี่เหลี่ยมและทรงกระบอก เซลล์ที่มีการเคลือบอ่อนมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านความหนาแน่นของพลังงาน ความปลอดภัย และประสิทธิภาพการปล่อย อย่างไรก็ตาม เมื่อเครื่องเคลือบเสร็จสิ้นงานการซ้อนชิ้นเดียว มันเกี่ยวข้องกับการประสานงานของหลายกระบวนการย่อยและกลไกที่ซับซ้อน ดังนั้นจึงต้องจัดการกับการควบคุมพลศาสตร์ที่ซับซ้อนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการซ้อน ความเร็วของเครื่องพันมีความสัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพการพัน และวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพนั้นค่อนข้างง่าย ในปัจจุบัน ประสิทธิภาพการผลิตและผลผลิตของเซลล์ที่เคลือบไม่ดีเท่ากับเซลล์ที่พัน.

เครื่องฉีดของเหลว (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องฉีดของเหลว)การฉีดอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่เข้าสู่เซลล์อย่างมีปริมาณ.

การบรรจุแกนหลัก (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องเปลือก, เครื่องม้วนร่อง, เครื่องซีล, เครื่องเชื่อม)คือการใส่แกนที่ม้วนเข้าไปในเปลือกของแกน.

เป้าหมายการผลิตของกระบวนการหลังคือการทำให้การก่อตัวและการห่อหุ้มเสร็จสมบูรณ์.

 ในกระบวนการกลาง โครงสร้างฟังก์ชันของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว ความสำคัญของกระบวนการหลังคือการเปิดใช้งานมัน ผ่านการตรวจสอบ การคัดแยก การประกอบ การใช้ความปลอดภัย และประสิทธิภาพที่เสถียรของผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียม กระบวนการหลักของส่วนหลังของกระบวนการรวมถึง: การก่อตัว การแยกปริมาตร การตรวจสอบ การคัดแยก เป็นต้น อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องหลักๆ ได้แก่: เครื่องชาร์จและปล่อย, อุปกรณ์ตรวจสอบ เป็นต้น.

การก่อตัว (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องชาร์จ-ปล่อย)คือการเปิดใช้งานเซลล์ผ่านการชาร์จครั้งแรก ในระหว่างนั้นฟิล์มการป้องกันที่มีประสิทธิภาพ (ฟิล์ม SEI) จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของขั้วลบเพื่อให้เกิด “การเริ่มต้น” ของแบตเตอรี่ลิเธียม.

การแบ่งความจุ (อุปกรณ์ที่ใช้: เครื่องชาร์จและปล่อย)คือ “การวิเคราะห์ความจุ” คือการชาร์จและปล่อยเซลล์ตามมาตรฐานการออกแบบ เพื่อวัดความจุไฟฟ้าของเซลล์ การชาร์จและปล่อยของเซลล์ผ่านกระบวนการก่อตัวและความจุ ดังนั้นเครื่องชาร์จและปล่อยจึงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้บ่อยที่สุดหลังจากแกน องค์ประกอบการทำงานขั้นต่ำของเครื่องชาร์จ-ปล่อยคือ “ช่อง” หนึ่ง “หน่วย” (กล่อง) ประกอบด้วยจำนวน “ช่อง” และจำนวน “หน่วย” จะรวมกันเพื่อสร้างเครื่องชาร์จ-ปล่อย.

การทดสอบ (อุปกรณ์ที่ใช้: อุปกรณ์ทดสอบ)ควรดำเนินการก่อนและหลังการชาร์จ การปล่อย และการยืน; การคัดแยกคือการจัดประเภทและเลือกแบตเตอรี่หลังจากการก่อตัวและการแยกปริมาตรตามมาตรฐานบางประการตามผลการทดสอบ ความสำคัญของกระบวนการตรวจสอบและการคัดแยกไม่เพียงแต่เพื่อกำจัดผลิตภัณฑ์ที่ไม่ผ่านเกณฑ์ เพราะในการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เซลล์มักจะถูกประกอบในแบบขนานและอนุกรม ดังนั้นการเลือกเซลล์ที่มีประสิทธิภาพใกล้เคียงกันจึงเป็นประโยชน์ต่อประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด.