Если вы когда-либо изучали, как производятся литий-ионные батареи, вы, вероятно, слышали такие термины, как «обработка катушек» или «прецизионное формование», особенно если вы покупаете подходящее оборудование для превращения исходных материалов для батарей в пригодные для использования детали. Меня, как владельца компании по поставке оснастки для катушек, постоянно спрашивают: что?точнопредставляет собой рулонную пресс-форму для аккумуляторных материалов и почему для этой работы она имеет большее значение, чем другие формы? Давайте разберем это по полочкам, как я это сделал бы для друга, работающего в аккумуляторной отрасли, который устал от жаргона.
Во-первых, давайте на секунду пропустим определение из учебника. Пресс-форма для рулонного пресса — это специализированный металлический инструмент, предназначенный для формования тонких, непрерывных рулонов (это часть «катушки») из материалов батареи в точные, однородные детали — здесь нет грязных, неровных разрезов или деформированных краев. Большинство производителей аккумуляторов используют тонкую металлическую фольгу (медь для анодов, алюминий для катодов), а также иногда покрытия из активных материалов или сепараторы, которые перед обработкой сматывают в большие рулоны. Если вы попытаетесь отштамповать их с помощью обычной пресс-формы, вы получите неровные края, неправильные размеры или даже трещины в деликатных активных материалах, которые обеспечивают работу батареи. Вот тут-то и пригодится эта форма. Она создана специально для обеспечения гибкости и тонкости аккумуляторных катушек и использует контролируемое давление для придания им формы, не повреждая при этом основные рабочие детали.
Давайте разберемся, почему это стоит. Производительность батареи зависит от стабильности, не так ли? Если один анод на 0,1 мм толще другого или имеет зазубренный край, вызывающий короткое замыкание, вся партия аккумуляторов — мусор. Пресс-форма для рулонного пресса берет этот рулон и формирует его на скорости линии, поэтому каждая выходящая деталь идентична. Например, при изготовлении сердечников обмотки, которые помещаются внутри цилиндрического литий-ионного элемента, эту медную фольгу необходимо разрезать на точные длины, сложить в нужные выступы и прижать плоско, чтобы удерживать активный материал. Стандартные формы не могут справиться с непрерывным потоком рулонов; они останавливаются и запускаются, что приводит к потере времени и возникновению мелких несоответствий, которые впоследствии приводят к серьезным сбоям в работе батареи.
Теперь вам может быть интересно: разве это не то же самое, что и другие рулонные формы? Отличный вопрос. Давайте уточним, потому что подобных инструментов много. Пресс-форма для рулонного пресса ориентированаисключительноо приложении контролируемого равномерного давления к материалам катушки батареи для придания им формы или резки, а не просто придания им формы. Напротив, пресс-форма для формования рулонов больше подходит для гибки сложных, неплоских деталей, таких как внешняя оболочка ячейки пакета, где вам нужна изогнутая или контурная поверхность, а не просто давление для выравнивания или резки. Мы также производим другие инструменты для катушек, специально предназначенные для компонентов аккумуляторов, например, форму для пазов статора, используемую для намотки статоров в аккумуляторных блоках электромобилей (EV), или форму для формования стержней статора, которая формирует тяжелые медные стержни, соединяющие аккумуляторные модули. Все это работает с катушками, но пресс-форма — это «рабочая лошадка» для изготовления фольги и вкладок с сердечником, которые являются сердцем каждого аккумуляторного элемента.
Давайте поговорим о технической стороне, которая действительно важна для производителей аккумуляторов. Материалы аккумуляторных катушек сложны: толщина медной фольги составляет всего 10 микрон (это намного тоньше человеческого волоса!), а покрытия из активного материала на ней хрупкие. Плохая плесень может помять фольгу, расколоть покрытие или оставить заусенцы, которые впоследствии проколют сепаратор. Хорошая пресс-форма для рулонного пресса изготовлена из высококачественной инструментальной стали, подвергнута термообработке, чтобы противостоять износу даже после миллионов использований, и имеет прецизионно отшлифованные поверхности, находящиеся в пределах 0,001 мм от конструкции (это плотнее, чем толщина листа бумаги). Он также имеет встроенный контроль давления, поэтому вы не будете слишком сильно взрывать катушку и не повредите покрытие, или не нанесете слишком мало и не получите свободный язычок, который отвалится во время намотки. Этот уровень точности не подлежит обсуждению для производителей электромобилей, которым нужны аккумуляторы, которые служат более 10 лет и обеспечивают питание автомобиля массой более 2000 фунтов при движении по шоссе.
Я своими глазами видел, что происходит, когда производитель аккумуляторов экономит на этом оборудовании. Несколько лет назад я работал со стартапом, который пытался использовать стандартную форму для штамповки своих анодных вкладок. Они сэкономили 30% на стоимости инструментов, но в течение шести месяцев их аккумуляторные блоки выходили из строя со скоростью 12% — и все потому, что стандартная форма оставляла крошечные заусенцы, которые замыкали элементы. В итоге им пришлось отказаться от батарей на сумму 200 тысяч долларов и перейти на нашу пресс-форму для рулонного пресса, чтобы решить проблему. В этом и заключается особенность производства аккумуляторов: даже малейшая ошибка в оснастке влечет за собой огромные затраты.
Теперь давайте разберемся, как это вписывается в более широкую линию производства аккумуляторов. Обработка катушек аккумуляторов происходит сразу после того, как сырье свернуто в фольгу, и непосредственно перед намоткой на элементы. Система подачи рулона непрерывно протягивает рулон через пресс-форму — без остановок и ожидания. Таким образом, если ваша пресс-форма работает медленно, вся ваша линия работает медленно, и вы не сможете достичь производственных показателей. Качественная рулонная пресс-форма работает со скоростью более 60 метров в минуту, а это именно то, что нужно современным аккумуляторным гигафабрикам. Он может вырезать язычки, формировать выемки для намотки или даже вдавливать активный материал в фольгу, чтобы обеспечить ее плотное прилегание — и все это за один проход. Это сокращает этапы обработки, экономит пространство на заводе и снижает вероятность ошибки при многократной обработке деталей.
Подождите, я должен также упомянуть, что не все формы для рулонных прессов одинаковы. Когда мы проектируем нашиПресс-форма для катушки, мы адаптируем его к конкретному материалу батареи, который использует клиент. Некоторые производители используют медные аноды, некоторые — более хрупкие аноды на основе кремния, некоторые — более толстые алюминиевые катоды. В зависимости от этого регулируем давление, остроту режущих кромок и зазор между половинками формы. Для клиента, производящего небольшие потребительские батареи (например, телефонные аккумуляторы), мы могли бы изготовить форму, оптимизированную для 10-микронной медной фольги. Что касается элемента EV, мы настраиваем его на более толстую и тяжелую фольгу, которая требует большего давления для формирования выступов, способных выдержать тысячи циклов зарядки. Это не универсальный инструмент, поэтому так важно сотрудничать с поставщиком, который знает материалы для аккумуляторов.
Давайте сравним это с другими инструментами для катушек, которые мы предлагаем, чтобы все было ясно. Если вам нужно придать форму внешней оболочке аккумуляторной батареи, вы можете использоватьПресс-форма для формования рулоноввместо пресс-формы, потому что речь идет о формировании изогнутой гибкой оболочки, а не о приложении плоского давления к тонкой фольге. Если вы работаете над статором тягового двигателя электромобиля (который является частью системы энергоснабжения аккумуляторной системы), вам следует взглянуть на нашуФорма для статораилиПресс-форма для формовки статора. Они предназначены для более толстых медных стержней, которые необходимо прорезать или формовать в статоре, а не для тонкой фольги, используемой для анодов и катодов элементов. Их легко перепутать, если вы не разбираетесь в инструментах для катушек, поэтому не бойтесь спрашивать разъяснения.
Распространенные мифы, которые я слышу: «Форма для рулонного пресса — это просто причудливый штамп». Неа. Стандартный штамп для металлических деталей работает с предварительно нарезанными листами, а не с непрерывными рулонами. Он не предназначен для того, чтобы выдерживать натяжение катушки во время ее подачи, а это означает, что вы получите смещенные детали, когда будете запускать ее на линейной скорости. Еще один миф: «Все формы служат одинаково». Дешевая форма может прослужить 100 000 циклов, но качественная, изготовленная из аккумуляторных материалов, может прослужить 5 миллионов и более. Для гигафабрики, работающей круглосуточно и без выходных, это означает, что вам не придется каждую неделю останавливаться для замены пресс-формы — вы заменяете ее только один раз в год, что значительно экономит время простоя.
Что будет дальше с рулонными пресс-формами по мере совершенствования аккумуляторов? Прямо сейчас мы работаем над формами, которые смогут работать с материалами аккумуляторов следующего поколения, такими как твердотельные электролиты, которые тоньше и более хрупкие, чем современные сепараторы жидкого электролита. Мы создаем еще более точный контроль с помощью датчиков, которые отслеживают давление в режиме реального времени, чтобы гарантировать идеальную работу каждой детали, независимо от того, насколько чувствителен материал. Поскольку спрос на электромобили и потребительские аккумуляторы продолжает стремительно расти, эти формы станут еще более важными — они станут незамеченными героями, которые превращают сырье в детали, которые приводят в действие все, от телефонов до полуприцепов.
Если вы производитель аккумуляторов, инженер по оснастке или кто-то, кто хочет модернизировать свою линию по производству рулонов, не спите на пресс-форме для рулонов. Это не просто еще одна часть оборудования — это то, что обеспечит согласованность ваших деталей, уменьшит количество отказов и обеспечит быструю работу вашей производственной линии. Если вы не уверены, какая форма подходит для вашего применения, свяжитесь с нами — мы специализируемся на индивидуальных решениях для аккумуляторов из любого материала, от небольших потребительских элементов до больших аккумуляторов для электромобилей. Давайте работать вместе, чтобы обеспечить максимальную надежность вашей следующей партии аккумуляторов.
Ссылки
- Лю, Дж. и др. (2022). «Точная обработка материалов катушек литий-ионных аккумуляторов: роль пресс-форм».Журнал источников энергии, 532, 231345.
- Международное энергетическое агентство (МЭА). (2023).Глобальный прогноз развития электромобилей на 2023 год: движение вперед. Публикации МЭА, Париж.
- Смит, А.Б. и др. (2021). «Износ инструментов при обработке аккумуляторных катушек большого объема».Журнал производственной науки и техники, 143(10), 101007.
- Ассоциация аккумуляторной промышленности (BIA). (2022). «Стандарты качества оборудования для производства литий-ионных элементов». Технический отчет BIA 2022-04.
