Niedawno nastąpił jakościowy przełom w procesie cięcia katod, który od tak dawna nękał tę branżę.
Procesy układania i nawijania:
W ostatnich latach, gdy nowy rynek energii stał się gorący, zainstalowana mocakumulatory zasilającewzrasta z roku na rok, a ich koncepcja konstrukcyjna i technologia przetwarzania są stale udoskonalane, między innymi nie ustała dyskusja na temat procesu nawijania i laminowania ogniw elektrycznych. Obecnie głównym nurtem na rynku jest bardziej wydajne, tańsze i bardziej dojrzałe zastosowanie procesu nawijania, ale w procesie tym trudno jest kontrolować izolację termiczną pomiędzy ogniwami, co może łatwo doprowadzić do lokalnego przegrzania ogniw i ryzyko niekontrolowanego rozprzestrzeniania się ciepła.
Natomiast proces laminowania pozwala lepiej wykorzystać zalety dużych powierzchniogniwa akumulatorowe, jego bezpieczeństwo, gęstość energii, kontrola procesu są korzystniejsze niż uzwojenie. Ponadto proces laminowania może lepiej kontrolować wydajność ogniw, u użytkowników nowych pojazdów energetycznych jest coraz popularniejszy, a zalety procesu laminowania o wysokiej gęstości energii są bardziej obiecujące. Obecnie szefem producentów baterii zasilających są badania i produkcja procesu laminowania arkuszy.
Dla potencjalnych właścicieli pojazdów nowych, energetycznych obawa o przebieg jest niewątpliwie jednym z kluczowych czynników wpływających na wybór pojazdu.Szczególnie w miastach, w których infrastruktura ładowania nie jest doskonała, istnieje pilniejsza potrzeba pojazdów elektrycznych dalekiego zasięgu. Obecnie oficjalny zasięg pojazdów zasilanych wyłącznie energią elektryczną podawany jest na 300–500 km, przy czym rzeczywisty zasięg jest często odbiegający od oficjalnego zasięgu w zależności od klimatu i warunków drogowych. Możliwość zwiększenia rzeczywistego zasięgu jest ściśle powiązana z gęstością energii ogniwa zasilającego, przez co proces laminowania jest bardziej konkurencyjny.
Jednak złożoność procesu laminowania i wiele trudności technicznych, które należy rozwiązać, w pewnym stopniu ograniczyły popularność tego procesu. Jedną z kluczowych trudności jest to, że zadziory i pył powstający podczas procesu sztancowania i laminowania mogą łatwo spowodować zwarcie w akumulatorze, co stanowi ogromne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Ponadto materiał katody jest najdroższą częścią ogniwa (katody LiFePO4 stanowią 40–50% kosztu ogniwa, a trójskładnikowe katody litowe stanowią jeszcze wyższy koszt), więc jeśli wydajna i stabilna katoda metody przetwarzania, spowoduje to ogromne straty dla producentów akumulatorów i ograniczy dalszy rozwój procesu laminowania.
Status quo sztancowania sprzętu – wysokie materiały eksploatacyjne i niski sufit
Obecnie, w procesie sztancowania przed procesem laminowania, na rynku powszechnie stosuje się wykrawanie sprzętowe w celu wycięcia nabiegunnika przy użyciu wyjątkowo małej szczeliny pomiędzy stemplem a dolną matrycą narzędzia. Ten proces mechaniczny ma długą historię rozwoju i jest stosunkowo dojrzały w zastosowaniu, ale naprężenia wywołane mechanicznym zgryzem często powodują, że obrabiany materiał ma pewne niepożądane cechy, takie jak zapadnięte rogi i zadziory.
Aby uniknąć zadziorów, wykrawanie sprzętowe musi znaleźć najbardziej odpowiedni nacisk boczny i nałożenie narzędzia w zależności od rodzaju i grubości elektrody oraz po kilku rundach testów przed rozpoczęciem przetwarzania wsadowego. Co więcej, wykrawanie sprzętowe może powodować zużycie narzędzi i sklejanie się materiału po długich godzinach pracy, co prowadzi do niestabilności procesu, a co za tym idzie, niskiej jakości odcięcia, co może ostatecznie prowadzić do niższej wydajności akumulatora, a nawet zagrożenia bezpieczeństwa. Producenci akumulatorów często zmieniają noże co 3-5 dni, aby uniknąć ukrytych problemów. Chociaż żywotność narzędzia podana przez producenta może wynosić 7-10 dni lub może wyciąć 1 milion sztuk, ale fabryka akumulatorów, aby uniknąć partii wadliwych produktów (złe trzeba złomować partiami), często zmienia nóż z wyprzedzeniem, a to pociągnie za sobą ogromne koszty materiałów eksploatacyjnych.
Ponadto, jak wspomniano powyżej, aby poprawić zasięg pojazdów, fabryki akumulatorów ciężko pracują nad poprawą gęstości energii akumulatorów. Według źródeł branżowych, aby poprawić gęstość energii pojedynczego ogniwa, w ramach istniejącego układu chemicznego, środki chemiczne mające na celu poprawę gęstości energii pojedynczego ogniwa w zasadzie dotknęły sufitu, jedynie poprzez gęstość zagęszczenia i grubość biegunowy element dwóch artykułów do zrobienia. Zwiększenie gęstości zagęszczenia i grubości słupa niewątpliwie bardziej zaszkodzi narzędziu, co oznacza, że czas wymiany narzędzia ponownie się skróci.
Wraz ze wzrostem rozmiaru ogniwa narzędzia stosowane do sztancowania również muszą być powiększane, ale większe narzędzia niewątpliwie zmniejszą prędkość operacji mechanicznej i zmniejszą wydajność cięcia. Można powiedzieć, że trzy główne czynniki: długoterminowa stabilna jakość, trend wysokiej gęstości energii i wydajność cięcia słupów o dużych rozmiarach określają górną granicę procesu sztancowania sprzętu, a ten tradycyjny proces będzie trudny do dostosowania do przyszłych wymagań rozwój.
Rozwiązania z zakresu lasera pikosekundowego pozwalające przezwyciężyć pozytywne wyzwania związane z wycinaniem
Szybki rozwój technologii laserowej pokazał jej potencjał w obróbce przemysłowej, a szczególnie branża 3C w pełni wykazała niezawodność laserów w obróbce precyzyjnej. Jednak już na początku podejmowano próby wykorzystania laserów nanosekundowych do cięcia biegunów, jednak proces ten nie był promowany na szeroką skalę ze względu na dużą strefę wpływu ciepła i zadziory po obróbce laserem nanosekundowym, co nie spełniało potrzeb producentów akumulatorów. Jednakże, jak wynika z badań autora, firmy zaproponowały nowe rozwiązanie i osiągnięto pewne rezultaty.
Z technicznego punktu widzenia laser pikosekundowy może wykorzystać swoją niezwykle wysoką moc szczytową do natychmiastowego odparowania materiału ze względu na wyjątkowo małą szerokość impulsu. W przeciwieństwie do obróbki termicznej za pomocą laserów nanosekundowych, lasery pikosekundowe to procesy ablacji parowej lub przeformułowania z minimalnymi efektami termicznymi, bez topiących się perełek i schludnych krawędzi obróbki, które za pomocą laserów nanosekundowych rozbijają pułapkę dużych stref wpływu ciepła i zadziorów.
Proces wycinania laserem pikosekundowym rozwiązał wiele problemów występujących w obecnym sztancowaniu sprzętowym, umożliwiając jakościową poprawę procesu cięcia elektrody dodatniej, która stanowi największą część kosztu ogniwa akumulatorowego.
1. Jakość i wydajność
Sztancowanie sprzętowe polega na zastosowaniu zasady mechanicznego wycinania, wycinanie narożników jest podatne na wady i wymaga wielokrotnego debugowania. Mechaniczne noże z biegiem czasu ulegają zużyciu, powodując zadziory na nabiegunnikach, co wpływa na wydajność całej partii ogniw. Jednocześnie zwiększona gęstość zagęszczenia i grubość nabiegunnika w celu poprawy gęstości energii monomeru zwiększy również zużycie noża tnącego. Obróbka laserem pikosekundowym o mocy 300 W ma stabilną jakość i może pracować stabilnie przez długi czas, nawet jeśli materiał zostanie zagęszczony bez powodowania strat sprzętu.
2. Ogólna wydajność
Pod względem bezpośredniej wydajności produkcji maszyna do produkcji elektrody dodatniej z laserem pikosekundowym o mocy 300 W osiąga ten sam poziom produkcji na godzinę, co maszyna do sztancowania sprzętowego, ale biorąc pod uwagę, że maszyny metalowe muszą wymieniać noże raz na trzy do pięciu dni , co nieuchronnie doprowadzi do zatrzymania linii produkcyjnej i ponownego uruchomienia po wymianie noża, każda wymiana noża oznacza kilkugodzinny przestój. W pełni laserowa, szybka produkcja oszczędza czas wymiany narzędzia, a ogólna wydajność jest lepsza.
3. Elastyczność
W przypadku fabryk ogniw energetycznych na linii do laminowania często znajdują się ogniwa różnych typów. Każda zmiana zajmie kilka dni więcej w przypadku sprzętu do sztancowania, a biorąc pod uwagę, że niektóre ogniwa mają wymagania dotyczące wykrawania narożników, wydłuży to jeszcze czas zmiany.
Z drugiej strony proces laserowy nie wiąże się z kłopotami związanymi z przezbrojeniami. Niezależnie od tego, czy jest to zmiana kształtu, czy zmiana rozmiaru, laser może „zrobić wszystko”. Dodać należy, że w procesie wycinania w przypadku wymiany produktu 590 na produkt 960 lub nawet 1200, sztancowanie sprzętowe wymaga dużego noża, natomiast proces laserowy wymaga jedynie 1-2 dodatkowych układów optycznych, a wycinanie nie ma to wpływu na wydajność. Można powiedzieć, że niezależnie od tego, czy jest to zmiana masowej produkcji, czy też próbki próbne na małą skalę, elastyczność zalet lasera przekroczyła górną granicę sztancowania sprzętu, dzięki czemu producenci akumulatorów mogą zaoszczędzić dużo czasu .
4. Niski koszt całkowity
Chociaż proces sztancowania sprzętu jest obecnie głównym procesem cięcia wzdłużnego słupów, a początkowy koszt zakupu jest niski, wymaga częstych napraw i zmian matryc, a te czynności konserwacyjne prowadzą do przestojów linii produkcyjnej i kosztują więcej roboczogodzin. Natomiast rozwiązanie z laserem pikosekundowym nie wymaga innych materiałów eksploatacyjnych, a koszty dalszej konserwacji są minimalne.
Oczekuje się, że w dłuższej perspektywie rozwiązanie wykorzystujące laser pikosekundowy całkowicie zastąpi obecny proces sztancowania sprzętowego w dziedzinie cięcia elektrodą dodatnią baterii litowej i stanie się jednym z kluczowych punktów promujących popularność procesu laminowania, podobnie jak „ jeden mały krok w procesie sztancowania elektrod, jeden duży krok w procesie laminowania”. Oczywiście nowy produkt podlega jeszcze weryfikacji przemysłowej, czy rozwiązanie polegające na wycinaniu pozytywowym lasera pikosekundowego może zostać docenione przez głównych producentów akumulatorów i czy laser pikosekundowy rzeczywiście może rozwiązać problemy, jakie przynosi użytkownikom tradycyjny proces, poczekajmy i zobaczmy.
Czas publikacji: 14 września 2022 r