Analisi comparativa dei processi di impilamento e avvolgimento nella produzione di batterie al litio

1. Principi di processo

Processo di impilamento:

I fogli di anodi e catodi vengono tagliati secondo le dimensioni specificate, quindi laminati con separatori per formare celle unitarie. Queste celle unitarie vengono impilate in parallelo per creare i moduli batteria.

Processo di avvolgimento:

Fogli anodici, separatori e catodici pretagliati vengono avvolti in una sequenza definita attorno a un mandrino fisso, compressi in forme cilindriche, ellittiche o prismatiche. Gli elettrodi di avvolgimento vengono quindi alloggiati in involucri metallici cilindrici o prismatici. Le dimensioni degli elettrodi e le spire degli avvolgimenti sono determinate dalla capacità di progetto della batteria.

2. Confronto delle prestazioni elettrochimiche

Le celle impilate presentano una resistenza interna inferiore grazie alla saldatura parallela di più linguette, riducendo i percorsi di migrazione degli ioni di litio. Ciò riduce la generazione di calore durante il funzionamento e rallenta la degradazione iniziale della densità energetica. Al contrario, le celle ad avvolgimento si basano sulla corrente di uscita di una singola linguetta, con conseguente maggiore resistenza interna.

Ciclo di vita:

Le celle impilate dimostrano una gestione termica superiore, consentendo una distribuzione uniforme del calore. Le celle avvolgibili presentano proprietà strutturali e meccaniche a gradiente, che portano a una dissipazione del calore non uniforme e a gradienti di temperatura localizzati. Ciò accelera il decadimento della capacità e riduce la durata del ciclo nelle celle avvolte.

Stress meccanico dell'elettrodo:

Gli elettrodi impilati subiscono uno stress meccanico uniforme senza concentrazioni localizzate, riducendo al minimo il danneggiamento degli strati di materiale durante i cicli di carica/scarica. Le celle di avvolgimento sviluppano concentrazioni di stress nei punti di flessione, aumentando il rischio di cedimenti strutturali, cortocircuiti e placcatura in litio sotto carico elettrico.

Capacità di tariffazione:

Le celle impilate raggiungono prestazioni di velocità migliorate grazie ai percorsi di corrente parallelizzati da più strati di elettrodi, consentendo una scarica più rapida ad alta corrente. Le celle ad avvolgimento presentano limitazioni dovute all'architettura a singola linguetta.

Progettazione della densità energetica:

L'impilamento ottimizza l'utilizzo dello spazio di confezionamento, massimizzando il carico di materiale attivo per una maggiore densità energetica. Le celle di avvolgimento soffrono di inefficienza spaziale a causa della geometria curva degli elettrodi e delle configurazioni dei separatori a doppio strato.

3. Vantaggi del processo

Processo di impilamento:

• Elevata capacità volumetrica: l'utilizzo superiore dello spazio consente una capacità maggiore a parità di volumi.
• Densità energetica elevata: plateau di tensione di scarica e capacità volumetrica più elevati.
• Flessibilità di progettazione: le dimensioni personalizzabili degli elettrodi supportano geometrie cellulari non standard.

Processo di avvolgimento:

• Saldatura a punti semplificata: richiede solo due punti di saldatura per cella.
• Scalabilità della produzione: la configurazione semplificata a due elettrodi ottimizza il controllo del processo.
• Taglio efficiente: l'operazione di taglio di un singolo anodo/catodo riduce il tasso di difetti.

4. Limitazioni del processo

Processo di impilamento:

• Rischi della saldatura a freddo: la laminazione multi-tab aumenta la predisposizione alle saldature incomplete.
• Bassa efficienza delle apparecchiature: le macchine impilatrici nazionali funzionano a 0,8 sec/strato rispetto a 0,17 sec/strato delle controparti importate.

Processo di avvolgimento:

• Elevate perdite di polarizzazione: il design a linguetta singola accentua la polarizzazione interna, riducendo le prestazioni della velocità.
• Sfide nella gestione termica: la difficoltà nell'implementare l'isolamento termico tra celle aumenta i rischi di fuga termica.
• Variabilità dello spessore: la disomogeneità strutturale determina uno spessore non uniforme in corrispondenza delle linguette, dei bordi dei separatori e dei lati delle celle.

5. Conclusion

I processi di impilamento e avvolgimento presentano compromessi distinti nella produzione di batterie al litio. Lo impilamento eccelle in termini di densità energetica, prestazioni termiche e flessibilità di progettazione, rendendolo ideale per veicoli a nuova energia e sistemi di accumulo di energia. L'avvolgimento offre vantaggi in termini di efficienza dei costi e scalabilità per applicazioni ad alto volume come l'elettronica di consumo. I continui progressi tecnologici ottimizzeranno ulteriormente entrambe le metodologie, guidando l'innovazione nel settore delle batterie al litio..

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