如果说尖端科技与我们的生活之间总是隔着一条河,工业就是河上的一座桥梁。工业让平日里遥不可及科技真正进入寻常百姓的生活,造福人类。工业蕴含着丰富的化学原理,又有着简单的生活常识,即使是没有学过化学的工人也可以精确熟练的完成部分高科技产品的合成。科技为工业赋予灵魂,工业为科技添上风骨。
电池就是这样一种产品。即使内部的物质结构多么复杂,原理多么艰涩难懂,相信小点心们在看过它们的工艺流程后也会说上一句——原来如此简单。事不宜迟,马上进入今天的正式环节,电池的工艺流程。
任何一项工艺都可以写成一本厚厚的书,我们就取其精华。这一次一点学长着重介绍的,是不可循环电池的代表碱性电池和可循环电池的代表锂电池。
碱性电池
碱性电池因为原料丰富、结构简单、携带方便、价格低廉等特点在生活中有很强的竞争力,出生于年的它在电池界中可不算长辈。碱性电池通常为圆筒状,内部主要由三个部分组成:正极是二氧化锰粉末,负极是锌粉,电解液是氢氧化钾水溶液。其他的结构还有最外部的铜壳、正极帽、负极盘、密封圈;较为内部一些的导电膜、隔膜;最内部细长的集电铜针。
我们的正极材料通常是封闭在正极炭包里,然后包装在炭素壳中。正极炭包是金属锰粉、石墨、氢氧化钾溶液按一定比例混合组成的,最后在机器的作用下挤压成圆筒状。这里炭素壳的作用是汇集电流,也成为集流体。炭素壳是以石墨作为主要材料,添加各种粘合剂和防水剂压成型后制成的。
电池的负极是含有少量汞的汞齐锌粉。什么是汞齐呢?汞作为唯一一种液态金属有独特的性质,它可以溶解很多金属。汞含量低的时候就是固体,汞含量高的时候就是液体。我们这里的负极材料因为含汞少是固体,呈膏状。
电池里还有一个虽然很薄却很重要的东西——隔膜。没有了它,暴躁的正负极可不会那么友好的相处。隔膜通常是特殊的高分子材料,可以透过离子,通过离子移动传递电流。装配分为以下几个步骤:加入包裹在炭素壳中的正极物料、加入隔膜纸、注入电解液、注入负极材料、组合集电体、封口、贴标。
碱性电池工艺简单,价格也很低廉。
锂电池
锂电池也分很多种类,我们这里以圆筒状锂电池作为例子。
工业里锂电池分为五个部分:
(1)正极:活性物质、导电剂、溶剂、粘合剂、基体
(2)负极:活性物质、粘合剂、溶剂、基体
(3)隔膜(4)电解液(5)外壳五金件
锂电池的工艺流程大概有近20个步骤:
(1) 物料准备(2)匀浆(3)涂布(4)碾压(5)分切(6)烘烤(7)卷绕(8)入壳(9)激光焊(10)烘烤(11)注液(12)预充(13)封口(14)清洗(15)老化(16)全检(17)入库(18)出货
前三个步骤是锂电池的根基,每一步都至关重要。通常一个电池里面,活性物质只有很少的量,但是却起到及其重要的作用。匀浆是活性物质与其他添加剂混合后搅拌形成的,均匀混合后平整的涂在正负极基体上,匀浆厚度通常在0.mm左右。如果匀浆没有平整的涂在基体上,会导致材料内部形成气泡,电池质量下降。正极基体是0.mm厚的铝箔,上面涂有磷酸铁锂、石墨(导电剂)、PVDF(粘结剂)的混合匀浆。负极的基体是0.mm厚的铜箔,上面涂有以石墨为主的混合匀浆。
接下来几个步骤都是为了提高电极片的稳定性,并控制电池的形状。注液步骤非常关键,因为电解液是非常敏感的物质,百万分之一级别的水分都会破坏电解液。并且水与电解液中的成分六氟磷酸锂反应会产生氢氟酸,一种具有极强腐蚀性的物质,玻璃都挡不住。注液步骤有专门的注液机,可以在真空无水环境下将电解液注入包装中。
注液步骤之后的很多步骤就是商业需求了。电池是一种对质量要求严格的产品,质检是必要的。电池刚刚制作完成的时候还不能直接检测,需要在一定温度下活化几小时才算是正式启用。工厂里通常有成套的电池检测系统和可靠的程序,可以测试电池在不同电流密度下循环的状态。比如我们设定电池先活化三个小时,接着在50微安电流下充放电循环圈,再尝试、、微安电流循环,最后观察电池的充放电曲线判定电池质量。如果电池起始电压过低、循环次数不足、电压不够稳定都会被视作残次品而淘汰。
最后就是工厂老板发家致富的步骤了,将成品电池卖入市场,赚取利润。至于怎么赚钱就不多提了,我们是正经化学人。
那么今天我们学到了什么呢?碱性电池圆筒状,工艺简单价更低;锂电制作步骤多,不能一一来细说;除了外壳五金件,正负隔膜电解液;活性物质成匀浆,均匀涂抹基体上;基体匀浆喜相逢,正极铝箔负极铜;锂电解液很娇气,氧气水气都不利;质量检测若失败,所有产品都淘汰!
关于老板怎么赚钱的问题就不要想了,我们来想点有趣的问题。
1. 为什么锂电池正的基体是正极铝箔负极铜?它们可以替换吗?
一个星期,我们领略过它在生活中的多姿多彩,也体会过它在工厂中经历的千锤百炼,但是,我们不知道它的未来在何方。也许,追根溯源,回到它出生的实验室,才能找到我们的答案。前沿化学,让你身临其境,走进真正的实验室,看到不一样的电池。
点心优课,每周一种物质,每天一个角度,化学日课带你开眼看世界。周一到周五同一时间不见不散。