Как производят аккумуляторы для электромобилей

Как производят аккумуляторы для электромобилей

В последние годы спрос на аккумуляторы, особенно на литий-ионные, стал превышать предложение. Их доступность по всему миру становится стратегическим вопросом, определяющим конкурентоспособность и развитие во все большем числе отраслей экономики, например, при производстве электроинструментов или систем накопления энергии. Процесс производства литий-ионных элементов сложен и зависит от целого ряда факторов, в том числе, прежде всего, от качества сырья, получаемого для производства аккумуляторов, целей устойчивого развития или возможности увеличения производственных мощностей.

Опубликовано: 21-07-2023

Устройство и принцип работы аккумулятора

Аккумуляторы вырабатывают электрическую энергию в результате химической реакции внутри элемента. Данная реакция обуславливается движением электронов. Электроны представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые, двигаясь, генерируют электрическую энергию. Этот переток возможен благодаря применению в аккумуляторе двух разных металлов, которые являются проводниками. Когда эти металлы соединяются проводником, то начинается движение электронов между ними, вызванное притяжением их используемыми металлами, называемыми анодом и катодом. Электроны всегда будут притягиваться с большей силой к катоду. Металлы внутри аккумулятора соединены друг с другом посредством вещества, способного проводить электроны, называемого электролитом.

В электромобилях применяются аккумуляторы, состоящие из соединенных между собой элементов. Применяемые системы электропитания отличаются друг от друга в первую очередь сроком службы, химическим составом, а также массой. На рынке аккумуляторов для электромобилей постоянно происходят динамичные изменения. В настоящее время к числу наиболее часто применяемых аккумуляторов относятся литий-ионные аккумуляторы. Их производство представляет собой сложный процесс и требует обеспечения высочайшего качества на каждом его этапе. Среди литий-ионных аккумуляторов лидируют те, элементы которых основаны на таких металлах, как никель, кобальт или марганец. К числу наиболее часто выбираемых типов литий-ионных аккумуляторов в электромобилях относятся литий-никель-кобальт-марганцевые (NMC) аккумуляторы. Очевидно, меньшей популярностью пользуются литий-марганцевые (LMO), литий-железо-фосфатные (LFP) и литий-никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторы.

Каким образом изготавливается аккумулятор?

Производство литий-ионных и других элементов характеризуется сложностью и высокой степенью автоматизации. Производство аккумуляторов зависит от их типа, но основные этапы и процессы аналогичны. В упрощенном виде весь производственный процесс можно разделить на три основных стадии:

1. Изготовление электродов

Независимо от размера и формы производимого аккумулятора, первым этапом является создание электродов. На этом этапе важно избегать перекрестного загрязнения между материалами, поэтому на практике часто создаются отдельная линия для производства катода и отдельная линия для анода. Анод изготавливается из медной фольги, покрытой слоем графита, тогда как катод — из алюминиевой фольги, покрытой выбранным металлом. К наиболее важным этапам производства электродов относятся:

• Смешивание — заключается в получении т. н. суспензии, представляющей собой смесь порошков (активных веществ) с растворителем и другими химическими веществами, выполняющими роль связующего.
• Покрытие и сушка — после приготовления суспензия перекачивается в зону покрытия, где она наносится на металлическую фольгу. Потом эта фольга направляется в сушильный шкаф, где растворитель испаряется, а активное вещество закрепляется на фольге.
• Каландрирование — это процесс отделки рулонов с покрытием. Они перемещаются между двумя нагретыми элементами, которые прижимая рулоны фольги обеспечивают сжатие материала и, таким образом, позволяют сохранить постоянную толщину, плотность и лучшую адгезию.
• Резка — металлическая фольга проходит через систему ножей, которые разрезают ее на множество более мелких кусочков, соответствующих размеру создаваемых электродов.

2. Сборка элементов

Во время сборки элементов необходимо обеспечить сухую среду, чтобы не допустить образования влаги, которая может в итоге привести к деградации и значительному снижению эффективности электрода. На этом этапе электроды обрезаются и помещаются в корпуса. Сборка элементов включает в себя следующие этапы:

• Вырезка – во время процесса резки изготавливаются прямоугольные электроды. Резка производится механическим способом или лазером.
• Укладка – в корпус аккумулятора поочередно укладываются анод, сепаратор и катод. Наиболее часто применяется укладка в стопки.
• Сборка — расположенные соответствующим образом электроды подключаются и присоединяются к основным клеммам в процессе сварки. Возникшую таким образом ячейку с электродами помещают в упаковочный материал и герметизируют, оставляя открытым край для заливки электролитом.

3. Формирование и контроль качества.

После сборки аккумулятор проходит этап кондиционирования. Зачастую это критический момент в процессе производства, потому что элемент заряжается в первый раз и проходит серию испытаний для подтверждения его качества и эффективности. К заключительным этапам формирования аккумулятора относятся предварительная зарядка, дегазация и высокотемпературное старение. После завершения этого заключительного этапа возникшее устройство готово к применению в различных приложениях.

Электромобили питаются от литий-ионных аккумуляторов. Это один из самых популярных типов аккумуляторов, в основном из-за того, что они позволяют проехать больше километров без подзарядки по сравнению с другими типами аккумуляторов. Процесс их изготовления очень похож на наиболее часто производимые литиевые аккумуляторы. Характерной особенностью аккумуляторов для электромобилей является то, что они представляют собой последовательное соединение нескольких литий-ионных элементов, образующих так называемые модули. Каждый аккумуляторный модуль содержит несколько последовательно соединенных элементов. Затем модули свариваются друг с другом, образуя аккумуляторные блоки, и подвергаются контролю качества.

Сырье для производства аккумуляторов

К числу наиболее популярных систем накопления энергии относятся литий-ионные аккумуляторы. Производство этих элементов является сложным и требует обеспечения высочайшего качества на каждом этапе. Важным вопросом является подбор сырья для производства аккумуляторов, чтобы готовый продукт мог полностью удовлетворить потребности рынка и требования потребителей.

Металлы

Среди важнейших видов сырья для производства аккумуляторов прежде всего следует упомянуть металлы, такие как литий, кадмий, никель, железо, цинк и марганец. Последний из упомянутых является материалом, наиболее часто применяемым при производстве литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, в конструкции аккумуляторов также применяются магний и алюминий (в качестве электродов) из-за их высокого стандартного потенциала и электрохимического эквивалента. Дополнительным преимуществом является относительно невысокая цена, а также значительная доступность. Благодаря этому могут стать прекрасной заменой популярным электродам, изготовленным из цинка. Еще одним металлом, применяемым в аккумуляторах, является серебро, которое позволяет создавать безопасные элементы с высокой плотностью энергии. Кроме того, благодаря применению серебра достигается более высокое напряжение в аккумуляторах по сравнению, например, с кадмием.

Электроды в батареях, т. е. катоды и аноды, изготавливаются не только из металлов.

Электроды в аккумуляторах, т. е. катоды и аноды, изготавливаются не только из металлов. Для этой цели также применяются оксиды металлов, например, оксид марганца (IV) или оксид цинка. Активным материалом в литий-ионных батареях обычно является литий, который чаще всего присутствует в виде оксидов в сочетании с такими металлами, как кобальт, марганец, никель, ванадий или железо.

Электролиты

Электролит является ключевым компонентом литий-ионных аккумуляторов, который обеспечивает свободный переток электронов между электродами. Электролиты — это прежде всего водные растворы или растворы в органических веществах, которые образуются при растворении одного или нескольких типов солей, например хлорида аммония, хлорида цинка или перхлората магния. В щелочных аккумуляторах электролитом является гидроксид калия. Часто выбираемым продуктом для изготовления электролитов литий-ионных аккумуляторов является виниленкарбонат. Он имеет особое значение для динамично развивающегося сектора батарей и аккумуляторов. Виниленкарбонат высокой чистоты (минимум 99,99 %) имеется в широком коммерческом предложении Группы PCC, которая является одним из лидеров среди производителей и поставщиков химикатов и сырья для разных отраслей.

Графит

Графит или порошкообразный уголь является основным сырьем при изготовлении электродов. В некоторых батареях внутри конструкции размещены графитовые стержни, задачей которых является «сбор» электронов, вытекающих из цепи, и распределение их по катоду. Кроме того, благодаря своей структуре графит способствует удалению газов, образующихся в ходе электрохимической реакции.

Пластмассы

Такие материалы, как, например, полиэтилен или полипропилен, широко применяются для изготовления сепараторов аккумуляторов, которые разделяют катод и анод друг от друга. Пластмассы также применяются для изготовления покрытий и корпусов в аккумуляторах.

Топ-5 производителей аккумуляторных батарей для электромобилей

Сегодня почти все батареи для электрокаров производятся китайскими, японскими и южнокорейскими компаниями. США и Европе понадобятся годы, чтобы догнать их.

• Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL)
• LG Energy Solution (LGES)
• Panasonic
• BYD
• SK Innovation

Подробный обзор Nissan Leaf с учетом современных реалий,…

Сегодня почти все батареи для электрокаров производятся китайскими, японскими и южнокорейскими компаниями. США и Европе понадобятся годы, чтобы догнать их.

По предварительному анализу считается, что к 2040 году больше половины личных автомобилей составят электрокары. Важная роль в этот переходный период отведена производителям батарей.

На сегодняшний день самыми крупными игроками на рынке литий-ионных АКБ являются Китай, Япония и Южная Корея. Именно там находятся штаб-квартиры ведущих компаний, которые занимаются разработкой и производством батарей для электрокаров.

Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL)

Топ возглавляет китайская компания CATL. Она разрабатывает и производит АКБ с 2011 года. CATL специализируется на литий-ионных аккумуляторах для электрических автомобилей и подключаемых гибридов, системах хранения энергии и управления батарей.

Пять лет подряд китайский производитель присваивает лидерство на рынке АКБ с долей 32,6%. В 2021 году компания выпустила аккумуляторы суммарной емкостью 96,7 ГВт/ч.

Батареи производства CATL используются в автомобилях BMW, Dongfeng Motor Corp., Honda, SAIC Motor Corp., Stellantis, Tesla, Volkswagen Group, Volvo.

LG Energy Solution (LGES)

LGES — энергетическая компания из Южной Кореи. На ее долю приходится пятая часть мирового рынка АКБ для электрокаров и гибридов. Общая производственная мощность компании составляет 60,1 ГВт/ч.

LGES обеспечивает аккумуляторными батареями электрокары General Motors, Groupe Renault, Stellantis, Tesla, Volvo, VW Group и Hyundai Motor.

Заводы компании находятся в Южной Корее, Китае, Польше и США. Еще два предприятия, в Аризоне и Онтарио, находятся на этапе строительства. На первом планируют производить цилиндрические аккумуляторы, а производственная мощность завода составит 11 ГВт/ч в год. Второй строится совместно с автопроизводителем Stellantis. Батареи, выпущенные на нем, будут поставляться преимущественно для электромобилей брендов Chrysler, Dodge и Jeep. Производственная мощность завода в Канаде составит 45 ГВт/ч в год.

Panasonic

Тройку лидеров замыкает японская компания Panasonic с долей рынка 14,7% и производственной мощностью 36,1 ГВт/ч. Она поставляет АКБ для Tesla и Toyota.

Сейчас компания занимается производством новой литий-ионной батареи для Tesla, которая повысит дальность хода ее электрокаров на 20%. Например, Model S, проезжающая примерно 650 километров без подзарядки, с новым АКБ сможет преодолевать до 750, что близко к показателям флагманского Mercedes EQS.

Новые батареи производятся на заводе в префектуре Вакаяма, который ежегодно обеспечивает аккумуляторами до 150 000 электромобилей.

Аккумуляторы для электромобилей

Решения в области герметизации, склеивания и терморегулирования для производства аккумуляторов для электромобилей (EV) и гибридных автомобилей (HV).

Оптимальные показатели и максимальная безопасность

Герметизация, склеивание и терморегулирование для оптимальной производительности и максимальной безопасности при производстве аккумуляторных батарей для электромобилей (EV) и гибридных автомобилей (HV). Независимо от того, используете ли вы призматические, пакетные или цилиндрические элементы в модуле или блоке, компания Graco может предложить вам оборудование для нанесения одно- и двухкомпонентных материалов, отличающееся продолжительным сроком эксплуатации, высокой точностью и возможностью работы с широким спектром материалов, включая высокоабразивные заполнители зазоров (TIM).

Решения для сборки аккумуляторов

Whether you use prismatic, pouch, or cylindrical cell types in your module or pack assembly, Graco has one and two component dispensing equipment that is long-lasting, accurate, and can handle the toughest materials, even highly abrasive gap fillers like thermal interface material (TIM).

9 ключевых металлов и минералов в батарее электромобилей

Электромобилю надо в шесть раз больше минералов и металлов, чем бензиновому автомобилю. Основная их часть приходится на литийионный аккумулятор. Так, в среднем батарея Tesla емкостью 60 кВт⋅ч обеспечивает запас хода 330 км, а весит 385 кг. Вот что дает такую массу, по данным Visual Capitalist.

Графит

Несмотря на то что аккумуляторы называются литийионными, в их основе лежит графит.

В настоящее время в добыче графита доминирует Китай: он производит 50% мирового синтетического графита и около 70% «чешуйчатого», который требует дополнительной обработки

Часть батареи: анод
Процент от массы батареи: 28,1%

Алюминий

Алюминий производят из боксита, в числе лидеров по его добыче Австралия, Китай и Гвинея.

Аналитики прогнозируют, что потребность в алюминии вырастет на 40% к концу десятилетия и добычу придется нарастить на 33,3 млн тонн в год

Часть батареи: катод, корпус, токосъемники
Процент от массы батареи: 18,9%

Никель

Металл обеспечивает батарее емкость — значит, спрос на него в сфере электромобилей продолжит расти.

По прогнозам, он вырастет с 81 т в 2020 году до 658—1592 т в 2030-х годах. Сейчас лидеры по добыче никеля — Индонезия, Китай и Россия

Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 15,7%

Медь

Китай потребляет половину меди в мире и, согласно прогнозам, будет наращивать потребление в среднем на 3% в год. Мировой спрос при этом вырастет с 25 млн тонн в 2021 году до 28 млн тонн к 2026 году и 31,1 млн тонн к 2030 году.

Среди лидеров производства — Чили, Перу и Китай. Мы писали о нескольких компаниях, добывающих медь

Часть батареи: токосъемники
Процент от массы батареи: 10,8%

Сталь

Сталь используют в корпусе батареи электромобиля, чтобы защитить ее от внешних повреждений.

Лидерами по производству в 2021 году стали Китай, Индия и Япония. По прогнозам, спрос на сталь будет расти умеренными темпами — ежегодно в среднем по 2,5% до 2030 года

Часть батареи: корпус
Процент от массы батареи: 10,8%

Марганец

Около 90% марганца использует сталелитейная промышленность, и только 0,2% идет на литийионные аккумуляторы. Тем не менее спрос на него будет расти.

Марганец по химическим свойствам похож на кобальт, но производство кобальта сосредоточено в одной стране — Конго. Чтобы избежать странового риска, производители электромобилей будут диверсифицировать поставки в пользу марганца

Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 5,4%

Кобальт

Ожидается, что к 2030 году спрос на кобальт удвоится и составит 315 000 т. Это может повлечь перебои с поставками.

Сейчас 69% мировой добычи этого металла приходится на Конго. Страна может нарастить производство, но лишь частично покроет будущий спрос.

Другое решение: разработка катодов с низким содержанием кобальта или без его использования

Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 4,3%

Литий

Литий в последнее время называют «белой нефтью», ведь литийионные батареи — основа будущего энергоперехода.

Ожидается, что спрос на литий утроится к 2030 году — с 600 тысяч тонн в 2022 году до 2,4 млн тонн.

Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 3,2%

Железо

Железо используют в катоде литийионной батареи. Сейчас появился тренд на более дешевые литий-железо-фосфатные батареи — чтобы меньше использовать кобальт и никель. Такие батареи меньше хранят заряд, но долговечны и менее взрывоопасны.

Ожидается, что мировой спрос на железную руду удвоится и достигнет 3,5 млрд тонн в 2030 году

Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 2,7%

Как разобраться, куда вложить⁠⁠⁠⁠⁠⁠

Читайте нашу рассылку для начинающих и опытных инвесторов. Каждый понедельник рассказываем, куда вложить деньги, чтобы получить доход, и как не отдать их мошенникам

Что еще узнать об электромобилях:

Новости, которые касаются инвесторов, — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь, чтобы быть в курсе происходящего: @investnique.

Виктор Джин
Как считаете, в каком году вы пересядете на электромобиль?

Когда электромобиль станет лучше автомобиля т.е. никогда. Ну или когда владельцев автомобилей обложат такими ограничениями и налогами, что их эксплуатация станет нецелесообразной.

Sergey, уже сейчас EV лучше ДВС. У меня был один автомобиль на ДВС. Внедоожник. Езжу каждый день дом-работа. Иногда на отдых. 99,9% времени на автомобиле — это дом-работа-магазин. Купил EV. Сейчас дом-работа-магазин — это EV, дальняк или бездорожье — это внедорожникДвс+прицеп. У меня два автомобиля. по времени 99,9% езжу на EV, если по пробегу то наверно 95% на EV (на ДВС редкие дальняки). Стоимость 1 км на EV в 10 раз дешевле 1 км на ДВС. Продавать ДВС не собираюсь, т.к. иногда нужен дальняк. А на «короткое плечо» EV самое то.

«что батарея всегда будет весить полтонны» — это полтонны у EV в полу. центр тяжести ниже, управляемость лучше. 150 л.с. EV, со своими полтоннами, безжаластно унижают на светофорах эти ваши ДВС, даже большей мощности. седан ev 150 л.с. более динамичен, чем седан двс 180 л.с. EV — ни каких коробок, сцеплений, тормозов. управление ОДНОЙ педалью. И газ и тормоз — всего одна педаль. Динамика совсем другая. После EV нет желания сесть на ДВС.

«всегда будет очень плохо чувствовать себя при низких температурах. Физику не обманешь » — вообще по барабану как он себя чувствует. летом запас хода 240 км. зимой 200 км. Мой ежедневный пробег 70 км. Иногда 100. В редких случаях 150. А как АКБ там себя чувствует — вообще до лампочки. И без всякого обмана физики.

ps не каждый житель многоэтажки может позволить >1 авто и зарядку дома. выбирайтесь из городов.