Teknologiska framsteg inom batteriteknik har banat vägen för en revolution i fordonsindustrin, med elbilar som nu konkurrerar framgångsrikt med sina fossildrivna motsvarigheter. Men bakom denna framgång döljer sig en utmaning: att göra tillverkningsprocessen för elbilsbatterier mer miljövänlig. I detta inlägg utforskar vi både de tekniska framstegen och de miljöutmaningar som präglar dagens batterimarknad, samt betydelsen av effektiv filtrering för att främja hållbarhet och kvalitet inom batteritillverkningen.
Tekniska framsteg inom batteriteknik har spelat en avgörande roll i utvecklingen av elbilar och deras förmåga att konkurrera med bensin- eller dieseldrivna fordon. En av de viktigaste parametrarna vid konstruktionen av elbilsbatterier är effekten per kilogram, mätt i wattimmar per kilogram. De mest avancerade batterierna för elbilar använder idag litium, vilket möjliggör en energitäthet på upp till 250 Wh/kg och gör dessa batterier mycket konkurrenskraftiga.
Historiskt sett har Asien haft en stark dominans inom batteritillverkningen, men under senare år har företag i USA och Europa också gjort framsteg på marknaden. Elbilstillverkare och litiumbatteritillverkare har offentliggjort ambitiösa planer för att öka produktionen under de kommande åren. Dessa satsningar kommer att kraftigt öka produktionskapaciteten.
Behov för effektivisering för miljöns skull
Trots att elbilarna konkurrerar väl i prestanda och ägandekostnad, måste biltillverkarna fortsätta effektivisera produktionsprocesserna för att nå den miljömässiga hållbarhet de själva vill uppnå.
Tillverkningen av ett elbilsbatteri genererar koldioxidutsläpp som motsvarar flera tusen körda mil i en bil med förbränningsmotor. Beräkningar visar att produktionen av ett 100 kWh-batteri släpper ut lika mycket koldioxid som en bensindriven bil gör under cirka 6 000 mils körning. För en dieselbil motsvarar utsläppen hela 15 000 mils körning. Även om tillverkningen av en förbränningsmotor påverkar miljön stort, måste vi effektivisera produktionen av elbilsbatterier.
En del i effektiviseringen är att öka kvalitén och produktionskapaciteten med befintliga resurser, här spelar filtrering en stor roll. Filtrering av exempelvis orenheter, partiklar och metalljoner, kan bidra till ökad kvalitet, produktionskapacitet och hållbarhet på batterier.
Batteriuppbyggnad
I en battericell finns fyra grundläggande komponenter: anod, katod, separator och elektrolyt. Tillsammans bildar dessa en galvanisk cell. Katoden är den negativa elektroden, medan anoden är den positiva. Joner rör sig genom elektrolyten som ett medium mellan katoden och anoden. Separatorns roll är att hålla anoden och katoden åtskilda och fungerar som bärare och behållare för elektrolyten. När batteriet laddar eller laddar ur, transporterar elektroner från anoden till katoden samtidigt som joner passerar genom elektrolyten.
Tillverkningsprocessen
Tillverkningsprocessen av en battericell består huvudsakligen av tre delar, elektrodtillverkning, cellmontering och elektrolytfyllning.
Två av de mest kritiska delarna i elektrodtillverkningen är omrörning och beläggning. Under omrörningen blandar du minst två aktiva pulvermaterial och tillsätter renat vatten samt bindnings- och lösningsmedel för att skapa en så kallad ”slurry”. När du har bildat en homogen och jämn slurry, applicerar du blandningen på tunna filmrullar i beläggningssteget. Det är ett av de viktigaste stegen inom tillverkningen som påverkar batteriets framtida prestanda. Beläggningen behöver vara jämn och fin med en tjocklek på mellan 5 och 25 μm på varje sida. Denna process har en särskilt stor påverkan på fabrikens totala produktionshastighet. Därefter följer de sista stegen i elektrodtillverkningen: kalandrering, skärning och torkning.
Stapling är en metod i cellmonteringen där flera lager av battericeller staplas på varandra. Processerna för stapling skiljer sig i princip mellan alla tillverkare, men det som är gemensamt är att man staplar anoder, katoder och separator om vartannat.
Att fylla på elektrolyt är en tidskritisk process under batteritillverkningen som även påverkar batteriets prestanda. Här fyller du de helt monterade cellerna med elektrolyt. Du utför processen under vakuum och matar in elektrolyten i cellerna i flera steg.
Filtrering inom batteritillverkning
Listan på applikationer inom batteritillverkning där filter finns är lång. Vi har hittills identifierat 34 applikationer hos våra kunder i Sverige (se bild nedan). Tre applikationer där filtren är särskilt kritiska och behöver bytas ofta är när du tillsätter lösningsmedel och deoniserat vatten, under omrörningen av slurry samt vid elektrolytfyllningen.
- Lösningsmedel och vatten transporteras ofta i rostfria rör som kan släppa ifrån sig metalljoner som kan kontaminera slurryn om de inte filtreras bort.
- För att batteriet ska vara så effektivt som möjligt är det viktigt att slurryn är homogen, i denna process är filtervalet kritiskt. Filtret måste tillåta önskade partiklar att passera genom, samtidigt som det behåller överdimensionerade partiklar. Detta måste åstadkommas utan att filtret täpps till och därigenom förkortar dess livslängd. Partiklar kan vara rester från tidigare delar i processen, eller t.ex oupplöst gel som bildas vid omrörning av slurry.
- Elektrolyten består vanligtvis av litiumsalter i organiska lösningsmedel. Dessa salter kanske inte löser sig helt i lösningsmedlet och måste därför tas bort genom filtrering.
Processer inom batteritillverkning där filter används
| FEEDING SYSTEM | Powder Slurry Respirator Vacuum |
| CONDUCTIVE AGENT | CNT-filtration |
| BINDER | PVDF (non water based) CMC thickening agent (water based) SBR (water based) |
| SOLVENT | DI Water NMP |
| CATHODE SLURRY | Mixing Transit Coating Tab Glue |
| ANODE SLURRY | Mixing Transit Coating |
| DRYING OVEN | Primary cotton High effiency oven filter |
| CALENDERING | Aautomatic wiping roller non-woven fabric Dust filter cartridge |
| SLITTING | Dust filter cartridge |
| LASER CUTTING | Dust filter cartridge High effiency filter |
| ASSEMBLY | Dust filter cartridge |
| ELECTROLYTE FILLING | Nitrogen Filtration Electrolyte |
| FORMATION | Dust filter cartridge |
| GLUE DISPENSING | Glue dispensing filter |
| FACTORY SUPPLY SYSTEM | Cooling water RO water DI water Electrolyte NMP recovery Dust filter cartridge Medium/High effiency fan filter |
Vi är fast beslutna att stötta utvecklingen av batteritillverkning i Sverige, och om det finns en minsta chans för oss att bidra i arbetet för en hållbar planet (om än mikroskopiskt), så kommer vi gör det.
Denna text är skriven av Max Malm (max.malm@colly.se), Affärsområdeschef på Colly Flowtech.
Författare
