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.
English version
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. Både elbilstillverkare och litiumbatteritillverkare har offentliggjort ambitiösa planer för ökad produktion under de kommande åren, vilket förväntas leda till en betydande ökning av produktionskapaciteten.
Behov för effektivisering för miljöns skull
Trots att elbilarna är konkurrenskraftiga i prestanda och kostnad för ägande, behövs en fortsatt effektivisering i produktionsprocesserna för att vara så miljömässigt hållbart som biltillverkarna själva vill få det att låta.
Tillverkning av ett elbilsbatteri motsvarar flera tusen körda mil från en bil med förbränningsmotor. Beräkningar visar att tillverkningen av ett 100 kWh batteri skapar det koldioxidutsläpp som motsvarar en körsträcka på ca 6 000 mil i en bensindriven bil och hela 15 000 mil i en bil som drivs av diesel. Att tillverka en förbränningsmotor har också en stor miljöpåverkan, men det är uppenbart att produktionen av elbilsbatterier behöver effektiviseras.
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 laddas eller laddas ur, färdas elektroner från anoden till katoden samtidigt som joner rör sig genom elektrolyten.
Tillverkningsprocessen
Tillverkningsprocessen av en battericell består huvudsakligen av tre delar, elektrodtillverkning, cellmontering och elektrolytfyllning.
Två av de mest kritiska delarna av elektrodtillverkning består av omrörning och beläggning. Under omrörningen blandas minst två aktiva material i pulverform och dessutom tillsätts renat vatten samt bindning- och lösningsmedel som bildar en så kallad ”slurry”. När en homogen och jämn slurry har bildats så appliceras elektrodblandningarna på tunna filmrullar, detta steg kallas beläggning. 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 fylls de helt monterade cellerna med elektrolyt. Denna process sker under vakuum och elektrolyten matas in 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 filter är särskilt kritiska, och behöver bytas ofta, är vid tillsättning av lösningsmedel och deoniserat vatten, vid omröringen 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.
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.