Новая энергия: как рождаются аккумуляторные батареи для электротранспорта Москвы

Завод входит в Московский кластер электробатарей, созданный в особой экономической зоне «Технополис Москва». Для столичной промышленности это логичный шаг в сторону локализации: раньше почти вся литийионная продукция была импортной.

В составе кластера работают два предприятия – «РЭНЕРА» и «ИНЭСИС», также будет запущен первый в стране центр испытаний и сертификации систем накопления энергии полного цикла.

Все начинается с изготовления электродов – анодов и катодов. Они производятся на двух отдельных, параллельных технологических ветках и до определенного момента не пересекаются. Активные материалы смешивают с растворителем. Для катодной смеси используется N-метилпирролидон, для анодной – вода. Получается суспензия, по консистенции напоминающая густую технологическую краску. Только красить ею предстоит не стену, а металлическую фольгу. Катодную смесь наносят на алюминиевую подложку, анодную – на медную, причем с очень точным контролем толщины и массы покрытия.

Материал проходит через плоскощелевую фильеру, после чего движется по длинной туннельной печи. Там растворитель испаряется, а активный слой закрепляется на фольге. Покрытие наносят с обеих сторон.

Затем огромный рулон отправляется на уплотнение. Валковые прессы сжимают нанесенный слой до заданной толщины и плотности. Это не косметическая операция: от того, насколько равномерным получится электрод, зависят емкость, сопротивление и поведение всей будущей ячейки.

На производстве материал наносят с запасом по ширине. Потом рулон разрезают, а из получившихся лент вырубают отдельные электроды – своеобразные «карточки» нужной длины и формы. На каждой остается токовывод – участок открытой металлической фольги, через который электрический ток будет уходить из ячейки.

После вырубки электроды попадают в вакуумную сушку. И здесь начинается борьба с главным врагом литийионной батареи – влажностью. Вода реагирует с электролитом, ускоряет его разложение и снижает ресурс ячейки. Поэтому на заводе контролируют не только состав активных материалов и геометрию электродов, но и количество влаги, оставшейся после всех предыдущих операций. В аккумуляторном производстве сухость – это не вопрос аккуратности: от ответа на него зависит, переживет ли ячейка сотни или тысячи циклов заряда и разряда.

Когда анод и катод готовы, начинается сборка ячейки. Электроды складывают в блок, чередуя с сепаратором: анод, сепаратор, катод, сепаратор, снова анод – и так много раз. Сепаратор не просто разделяет слои. Он должен не допустить прямого контакта анода и катода, то есть предотвратить короткое замыкание, но при этом позволить ионам лития перемещаться внутри ячейки.

К электродному блоку приваривают внешние токовыводы и помещают его в мягкий корпус типа «пауч» – плоский конверт из ламинированной алюминиевой фольги. Сначала у него запаивают нижнюю и боковые стороны, затем внутрь заливают электролит и герметизируют верхнюю часть. Однако перед окончательной запайкой над ячейкой оставляют газовый карман: во время первого заряда внутри ячейки происходят сложные электрохимические процессы и выделяются газы.

Готовую ячейку проверяют на внутреннее сопротивление, повреждения сепаратора и наличие короткого замыкания. Если все в порядке, приступают к формированию: помещают ячейку в специальную секцию пресса, нагревают примерно до 60 °С и впервые подают электрический ток.

При первом заряде на аноде образуется защитный пассивный слой, который предотвращает дальнейшее разрушение электрода и во многом определяет ресурс ячейки — количество циклов, которое она сможет выдержать. Затем изделие остужают и отправляют на дегазацию. В вакуумной камере газовый карман прокалывают, удаляют выделившиеся газы, обрезают лишнюю часть корпуса и снова запаивают ячейку, после чего она становится герметичной.

Но и это еще не финал. На контрольном цикле ячейку заряжают до 100%, разряжают до нуля, измеряют фактическую емкость, а затем заряжают примерно до 30% – до транспортного состояния. Дальше изделие отправляется на выдержку в автоматизированную систему, где периодически проходит проверку уровня заряда. Если за две недели показатель заметно падает, значит, имеет место повышенный саморазряд и возможны проблемы с качеством.

Только после такой проверки ячейка проходит финальную инспекцию: контролируются электрические параметры, масса, внешний вид, герметичность и отсутствие повреждений. Производственная линия выпускает по ячейке в секунду, но окончательное решение о ее качестве занимает гораздо больше времени.

Одна ячейка сама по себе может питать небольшое устройство. Но для электромобиля, электробуса или речного судна их нужно соединить в модули, а модули – в батарею. На заводе выпускают универсальные батареи, конструкция которых меняется в зависимости от техники. Сколько будет модулей, как их соединят и какой получится запас энергии, зависит от назначения изделия.

Для гибридного Aurus важна способность аккумулятора быстро отдавать большую мощность во время разгона и принимать энергию при торможении. Для электромобиля «Атом» батарея собрана на 288 стандартных ячейках форм-фактора VDA; ее емкость может составлять от 64 до 77 кВт·ч, а заявленный запас хода достигает 500 км. Для «Москвича 3е» используется вариант емкостью 66,6 кВт·ч, позволяющий проехать почти 400 км и зарядиться до 80% примерно за 45 минут.

Московская промышленность делает ставку на универсальные решения: те же базовые элементы могут использоваться в электробусах, коммунальной технике, карьерных самосвалах, роботизированных комплексах и системах резервного питания. Аккумулятор для речного электросудна обеспечивает не только движение, но и работу всех бортовых систем. Именно в этом состоит смысл универсальной платформы: не создавать отдельную батарею для каждой машины с нуля, а собирать разные конфигурации из стандартизированных компонентов.

«"РЭНЕРА" стала ключевым резидентом Московского кластера электробатарей. Вместе со вторым заводом площадка должна закрыть почти 70% потребности российского рынка в аккумуляторах. Локализация идет поэтапно, в ближайшие годы все ключевые компоненты аккумуляторных ячеек будут производиться в нашей стране», – отметил министр правительства Москвы, руководитель департамента инвестиционной и промышленной политики Анатолий Гарбузов.