鋰提取工藝的案例
特斯拉為“食鹽”鋰提取工藝申請專利 可將成本降低30%
蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，特斯拉申請一項新專利，涉及使用食用鹽從礦石中提取鋰的工藝。該鋰提取工藝可將相關成本降低30%。
（圖片來源：electrek）
在名為“從粘土礦物中選擇性提取鋰”的專利申請中，特斯拉描述了當前提取方法存在的主要問題：
鋰是鋰離子電池和電動汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性金屬。為了降低電池和電動汽車的成本，找到一種能夠經(jīng)濟有效地從各種鋰源提取鋰的方法，具有重要意義。通常開采的主要鋰源是鋰鹵水，因為從中提取鋰的成本較低。然而，隨著對鋰離子電池的需求不斷增加，有必要尋找其他鋰源。
另一種提取鋰的方法是，從粘土礦物中提取鋰。在這一過程中，通過酸浸獲得鋰。將粘土礦物與普通無機酸的水溶液混合，如H2SO4或HCl，然后在常壓下加熱以浸出粘土礦物中所含的鋰。采用這種酸浸法，不僅可以浸出鋰，而且能浸出高濃度雜質(zhì)，包括鈉、鉀、鐵、鋁、鈣和鎂。然后，去除雜質(zhì)元素，尤其是鋁，這會造成大量鋰損耗，可能顯著降低整體鋰提取率。此外，采用這種高酸耗和復雜的浸出液純化方法，也使整個提取過程的成本效益較低，而且不環(huán)保。
特斯拉在專利申請中總結了自己的新方法：
在所描述的從粘土礦物及其組合物中提取鋰的方法中，提取過程包括提供含鋰的粘土礦物，將陽離子源與粘土礦物混合，對粘土礦物進行高能研磨，并進行液體浸出，以獲得富含鋰的浸出溶液。
這比僅添加食鹽要稍復雜一些。但據(jù)特斯拉在專利申請中介紹，主要的陽離子源確實是NaCl。
特斯拉描述，在該工藝的研磨過程中添加NaCl的效果：
測量在研磨過程中添加NaCl的效果。
展開 鋰離子電池制造工藝仿真技術進展
摘要: 鋰離子電池的綜合性能不僅取決于材料和結構的創(chuàng)新，還與制造工藝及相關設備技術的進步息息相關。目前電池制造廠商針對不同體系的電池工藝開發(fā)多采用窮舉法進行實驗試錯，在工藝仿真技術方面還存在較大的發(fā)展空間。面向電池高質(zhì)量制造發(fā)展和數(shù)智化升級的行業(yè)發(fā)展趨勢，本文結合宏觀電池制造設備和微觀電池電極結構兩個角度，對電池制造工藝仿真研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)總結，分析了各工序工藝仿真技術機理研究、結構發(fā)展及應用前景，并進一步指出當前研究的不足及未來的發(fā)展趨勢，旨在為優(yōu)化鋰離子電池的制造流程和提高其綜合性能提供理論參考。
關鍵詞: 鋰離子電池 ; 電極制造 ; 電池制造工藝仿真 ; 電極微觀結構 ; 電池制造設備
前言
能源存儲是人類在21世紀面臨的重大挑戰(zhàn)之一［1］，作為電動汽車的主要儲能設備，鋰離子電池以其優(yōu)異的電化學性能及經(jīng)濟性表現(xiàn)在全球儲能設備中發(fā)揮著不可替代的作用［2］。為進一步提高鋰離子電池的綜合表現(xiàn)，探究鋰離子制造工藝參數(shù)與電極微觀結構以及電池整體電化學性能之間的相對關系，基于此建立對應的模型化表達已成為目前行業(yè)的研究熱點之一［3-4］。近年來學界對鋰離子電池單體、模組、電池包及整車系統(tǒng)的宏觀仿真模擬發(fā)展已趨于成熟［5-6］，但在微觀尺度下依據(jù)鋰離子電池各制造工藝機理進行建模并探究對電池性能影響的研究仍在起步階段［7］。探究電池制造工藝對電極結構的影響，并建立電極微觀結構與鋰離子電池整體電化學性能的關系，以此為基礎對鋰離子電池制造工藝流程進行優(yōu)化設計顯得尤為重要［8］，圖1所示為鋰離子電池從電極材料選擇到整車系統(tǒng)設計的多尺度處理和仿真示意圖。
圖1 鋰離子電池制造從材料探究到系統(tǒng)設計的多尺度處理和模擬示意圖
鋰離子電池本身是一個極復雜的電化學系統(tǒng)，其性能受到多個物理場內(nèi)不同因素的影響，表現(xiàn)出時變性和不可觀測性［10］。
展開 鋰電池制造工藝全解析
鋰電池結構
不同結構形式、不同材料的工藝相似但裝備需全新配置
鋰離子電池構成主要由正極、負極、非水電解質(zhì)和隔膜四部分組成。目前市場上采用較多的鋰電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，二者正極原材料差異較大，生產(chǎn)工藝流程比較接近但工藝參數(shù)需變化巨大。若磷酸鐵鋰全面更換為三元材料，舊產(chǎn)線的整改效果不佳。對于電池廠家而言，需要對產(chǎn)線上的設備大面積進行更換。
鋰電池制造工藝
前中后三道工序，占比接近35%/30%/35%
鋰電池的生產(chǎn)工藝比較復雜，主要生產(chǎn)工藝流程主要涵蓋電極制作的攪拌涂布階段（前段）、電芯合成的卷繞注液階段（中段），以及化成封裝的包裝檢測階段（后段），價值量（采購金額）占比約為（35~40%）:（30~35）%:（30~35）%。差異主要來自于設備供應商不同、進口/國產(chǎn)比例差異等，工藝流程基本一致，價值量占比有偏差但總體符合該比例。
鋰電生產(chǎn)前段工序對應的鋰電設備主要包括真空攪拌機、涂布機、輥壓機等；中段工序主要包括模切機、卷繞機、疊片機、注液機等；后段工序則包括化成機、分容檢測設備、過程倉儲物流自動化等。除此之外，電池組的生產(chǎn)還需要Pack 自動化設備。
鋰電前段生產(chǎn)工藝
極片制造關系電池核心性能
鋰電池前端工藝的結果是將鋰電池正負極片制備完成，其第一道工序是攪拌，即將正、負極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機攪拌成漿狀。配料的攪拌是鋰電后續(xù)工藝的基礎，高質(zhì)量攪拌是后續(xù)涂布、輥壓工藝高質(zhì)量完成的基礎。
涂布和輥壓工藝之后是分切，即對涂布進行分切工藝處理。如若分切過程中產(chǎn)生毛刺則后續(xù)裝配、注電解液等程序、甚至是電池使用過程中出現(xiàn)安全隱患。因此鋰電生產(chǎn)過程中的前端設備，如攪拌機、涂布機、輥壓機、分條機等是電池制造的核心機器，關乎整條生產(chǎn)線的質(zhì)量，因此前端設備的價值量（金額）占整條鋰電自動化生產(chǎn)線的比例最高，約35%。
展開 美國研究人員從受污染的水中提取鋰 可降低電動汽車電池成本
蓋世汽車訊 手機、筆記本電腦或者電動汽車都需要依賴鋰，此種元素的需求量特別大。雖然全球的鋰供應量十分充足，但是獲取和提取鋰仍是一個具有挑戰(zhàn)性且效率低下的過程。
據(jù)外媒報道，一個由工程師和科學家組成的跨學科小組研發(fā)了一種從受污染的手中提取鋰的方法。該項新研究能夠簡化從鹽水（鹵水）中提取鋰的過程，能夠大大增加鋰的供應量，并降低為電動汽車、電子設備以及其他各種設備提供動力的鋰電池的成本。目前，人們通常利用太陽能蒸發(fā)技術從南美洲的鹽水中獲取鋰，該工程成本高昂，需要花費數(shù)年的時間，而且在此過程中就會損失大部分鋰。
鋰提取（圖片來源：得克薩斯大學奧斯汀分校）
不過，美國得克薩斯大學奧斯汀分校和加州大學圣芭芭拉分校的研究團隊設計了一種薄膜，可以在鈉等其他離子上精確地分離出鋰，顯著提高了鋰元素的收集效率。
除了鹽水，石油和天然氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水中也含有鋰，但至今仍未得到開發(fā)。研究人員表示，得克薩斯州鷹灘頁巖油氣項目（Eagle Ford Shale）中采用的水力壓裂法制造的僅一周的水，就有可能生產(chǎn)出足夠300輛電動汽車電池或170萬臺智能手機使用的鋰。因此，該技術具有極大地發(fā)展機遇，可以極大地增加鋰的供應量，并降低依賴鋰的設備的成本。
該項研究的核心是，研究人員利用冠醚制造了一種新型聚合物膜，冠醚是一種具有特定化學功能的配位體，可以結合特定的離子，此前從未作應用于水處理膜或作為水處理膜的一部分被研究，不過，其能夠靶向水中的特定分子，而此種特定分子是鋰提取的關鍵成分。
在大多數(shù)聚合物中，鈉穿過膜的速度比鋰快。
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技術丨軟包鋰離子電池制作工藝流程詳解
6、靜置、化成、夾具整形工序
在注液與一封完成后，首先需要將電芯進行靜置，根據(jù)工藝的不同會分為高溫靜置與常溫靜置，靜置的目的是讓注入的電解液充分浸潤極片。然后電芯就可以拿去做化成了。
上圖是軟包電芯的化成柜，其實就是一個充放電的裝置，我找了好久沒有找到帶電芯的圖片，大家想想一下電芯夾在上面的畫面就OK了。化成就是對電芯的首次充電，但不會充到使用的最高電壓，充電的電流也非常小。化成的目的是讓電極表面形成穩(wěn)定的SEI膜，也就是相當于一個把電芯“激活”的過程。在這個過程中，會產(chǎn)生一定量的氣體，這也就是為什么鋁塑膜要預留一個氣袋。有些工廠的工藝會使用夾具化成，即把電芯夾在夾具里（有時候圖簡便就用玻璃板，然后上鋼夾子）再上柜化成，這樣產(chǎn)生的氣體會被充分地擠到旁邊的氣袋中去，同時化成后的電極界面也更佳。
在化成后有些電芯，尤其是厚電芯，由于內(nèi)部應力較大，可能會產(chǎn)生一定的變形。所以某些工廠會在化成后設置一個夾具整形的工序，也叫作夾具baking（烘烤）。
這三道工序與封裝無關，就簡單介紹到這里吧。
7、二封工序
剛才說了化成過程中會產(chǎn)生氣體，所以我們要將氣體抽出然后再進行第二次封裝。在這里有些公司成為兩個工序：Degassing（排氣）與二封，還有后面一個剪氣袋的工序，這里我就一起籠統(tǒng)的都稱為二封了。
二封時，首先由鍘刀將氣袋刺破，同時抽真空，這樣氣袋中的氣體與一小部分電解液就會被抽出。然后馬上二封封頭在二封區(qū)進行封裝，保證電芯的氣密性。最后把封裝完的電芯剪去氣袋，一個軟包電芯就基本成型了。二封是鋰離子電池的最后一個封裝工序，其原理還是跟前面的熱封裝一樣，不再贅述。
8、后續(xù)工序
二封剪完氣袋之后需要進行裁邊與折邊，就是將一封邊與二封邊裁到合適的寬度，然后折疊起來，保證電芯的寬度不超標。
展開 干貨 | 你應該知道的鋰離子電池原理及工藝
2、電池的組裝
圓柱電池的裝配工藝流程：絕緣底圈入筒→卷繞電芯入筒→插入芯軸→焊負極集流片于鋼筒→插入絕緣圈→鋼筒滾線→真空干燥→注液→組合帽(PTC元件等)焊到正極引極上→封口→X射線檢查→編號→化成→循環(huán)→陳化。
方形電池裝配工藝流程：絕緣底入鋼盒→片狀組合電芯入筒→負極集流片焊于鋼盒→上密封墊圈→正極集流片焊于桿引極→組合蓋(PTC元件等)焊到旋引極上→組合蓋定位→激光焊接→真空干燥→注液→密封→X射線檢查→編號→化成→循環(huán)→陳化。
裝配工藝說明：以圓柱形電池為例(方形電池基本過程相同)。卷繞芯入筒以前, 將鋁條(0.08—0.15㎜厚、3㎜寬)和鎳條(0.04—0.10㎜厚, 3㎜寬)分別用超聲波焊接在正、負極導電基體的指定處作為集流引極。
電池隔膜一般采用PE/PP2層或PP/PE/PP 3層組成, 隔膜都是經(jīng)過120℃熱處理過的, 以增加其阻止性和提高其安全性。
正極、隔膜、負極3者疊合后卷繞入筒, 由于采用涂膏電極, 故必須讓膏體材料與基體結合得好, 以形成高密度電極, 特別要防止掉粉, 以免其穿透隔膜而引起電池內(nèi)部短路。
在卷繞電芯插入鋼筒以前, 放一個絕緣底入鋼筒底部是為了防止電池內(nèi)部短路這對于一般電池都是相同的。
電解質(zhì)一般采用LiPF6和非水有機溶劑, 在真空注液以前,電池要真空干燥24/h, 以除去電池組分中的水分和潮氣, 以免LiPF6與水反應形成HF而縮短壽命。
電池密封采用涂密封膠、插入墊圈、卷邊加斷面收縮過程,基本原理與堿性可充電池相同。封口以后, 電池要用異丙醇和水的混合液除去油污物和濺出的電解液, 然后再干燥。使用一種氣味傳感器或“ 嗅探器”元件檢查電池漏液情況。
展開 Fluent仿真技術在鋰電池工藝制造過程中的應用案例
通過涂布仿真可以優(yōu)化涂布墊片結構設計，縮短驗證時間、降低墊片開發(fā)費用和漿料使用成本；也可以優(yōu)化涂布工藝參數(shù)選擇，建立涂布數(shù)字化模型，縮短涂布工藝爬產(chǎn)時間。目前我們已掌握涂布仿真各個技術難點，構建了涂布內(nèi)/外流場非牛頓流體漿料的多相流模型，可以在微米層級上精確地體現(xiàn)涂布漿料的濕膜厚度分布，精度誤差在8%以內(nèi)。目前已經(jīng)多次用于工藝涂布問題解決分析，起到了很好的虛擬驗證作用。
案例二：激光焊接動態(tài)熱仿真
仿真原因：調(diào)試階段，出現(xiàn)正負極終焊焊印燙傷轉接片背部PP塑膠的情況，正極較為嚴重，負極塑膠邊緣縮化。
仿真測試：需測量焊接時的轉接片背部溫升，測量融化后的塑膠厚度計算縮化量。
仿真PP下邊界增加茶膠間隙下的仿真結果最高溫為294℃，高溫區(qū)域大部分為264-240℃溫度范圍，和實測245.7℃溫度結果非常接近，表明仿真模型符合實際，可以用于下一步方案預測。
模擬過程：
Fluent可以成功模擬焊接過程中動態(tài)熱源的的變化過程，獲得此工況下結構內(nèi)部的溫度場瞬態(tài)變化。后續(xù)可用于結構熱應力及變形的分析。
案例三：輥壓烘箱動網(wǎng)格熱仿真
當前的鋰電池極片涂布生產(chǎn)工藝，主要采用的是濕法涂布方式，濕法涂布工藝中，是將正極或負極材料涂布在正極或負極集流體表面后，經(jīng)過烘干貼合在一起，而烘干工序的主要設備為烘箱，對極片的生產(chǎn)效率和涂層的質(zhì)量起到了至關重要的作用，同時烘箱也是能耗消耗最高的鋰電池生產(chǎn)設備之一，并且在濕法涂布中，nmp溶劑的應用雖然對正負極材料帶來利好，但同時也帶來了需要把控安全和集中回收等問題。
極片“溫度-散熱功率關系”解耦輸出，作為邊條輸入到極片動網(wǎng)格邊界模擬。
展開 華中科大《Adv Mater》：一種簡易新型工藝改善鋰金屬陽極性能！
該方法將有利于推動低成本、安全和高性能的鋰金屬電池的大規(guī)模生產(chǎn)。
隨著對先進儲能裝置不斷增長的需求，這激發(fā)了越來越多的研究者對高能量密度電池的研究興趣。鋰(鋰)金屬因其無與倫比的理論比容量(3860 mAh·g-1)、低電位(相對于標準氫電極為-3.04V)和低密度(0.534g·cm-3)而被認為是陽極材料的最終選擇。然而，由于枝晶生長不可控導致的循環(huán)壽命短和安全問題嚴重阻礙了鋰金屬電池的商業(yè)化。
華中科技大學黃云輝和李真教授領導研究小組，提出了一種通過簡單易擴展的流延工藝在碳酸鹽電解質(zhì)中制備空氣穩(wěn)定、無枝晶、高容量鋰金屬陽極的PIL層的策略。相關論文以題為“Polycationic Polymer Layer for Air‐Stable and Dendrite‐Free Li Metal Anodes in Carbonate Electrolytes”發(fā)表在Advanced Materials上。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007428
DDA–TFSI@Li陽極的制備過程如圖1a所示。陽離子PDDA-TFSI是通過親水性氯與疏水性TFSI的陰離子交換制備的，方法是將PDDA–Cl與等量摩爾的LiTFSI混合。通過將PDDA-TFSI分散在無水NMP中并涂覆到鋰箔上，然后蒸發(fā)溶劑，這樣就形成PDDA–TFSI@Li。用掃描電鏡對裸鋰片和PDDA–TFSI@Li的形貌進行了表征。裸鋰帶的微觀粗糙度導致電極表面的電場分布不均勻，從而導致電鍍過程中Li+通量不均勻。相比之下，PDDA-TFSI @ Li呈現(xiàn)出平滑且均勻的表面，這有利于Li+的均勻成核和分布(圖1b)。
展開 小麥胚芽油提取工藝研究進展
小麥胚芽油提取工藝研究進展.pdf
