V minulém týdnu jste si na VTM mohli přečíst článek o pozadí výroby baterií ve společnosti Bochemie a vysvětlení, proč právě technologie Ni-Cd, která je nesprávně považovaná za zastaralou.
Dnes pro vás mám reportáž z výrobního procesu. V Bohumíně se vyrábí tzv. funkční materiály a z nich celé elektrody – niklové a kadmiové. Kadmium je silně toxické, při manipulaci s ním panují přísná opatření a pracovníci díky celotělovým pracovním oblekům připomínají kosmonauty, takže jsem se šel podívat na (v tomto ohledu) mnohem přístupnější výrobu niklových elektrod.
Proces začíná u nádrže s horkou vodou, do které se postupně sype tento krásně tyrkysový krystalický síran nikelnatý. Aby se dokonale rozpustil, míchá se asi půl hodiny, pak se přes čerpadla a filtry žene k vlastně jediné chemické reakci celého procesu.
Roztok síranu nikelnatého reaguje s hydroxidem sodným a vzniká hydroxid nikelnatý. To už je látka, kterou je potřeba dostat do elektrody. Jenže v tomto bodě jde o suspenzi – sraženinu, pevnou látku rozptýlenou v matečném louhu.
Vody se hydroxid nikelnatý v první fázi zbavuje mezi 60 deskami tohoto obřího lisu.
Z lisu hydroxid nikelnatý putuje do sušárny, a právě tady se děje ta největší magie. Nejde jen o to dostat pryč molekuly vody, ale vysušit materiál tak, aby byl co nejvíce porézní, měl co největší povrch tak, aby v další fázi proběhlo dokonalé vymytí, tedy odstranění všech nežádoucích nečistot.
Pak kupodivu následuje další rozmíchání hydroxidu nikelnatého ve vodě, kde se i s pomocí dalších látek (například hydrogen-uhličitanu sodného) docílí postupného snižování obsahu nežádoucích iontů. Po vypnutí míchadel hydroxid nikelnatý sedimentuje na dno, voda se vypustí, napustí se čistá a proces se vícekrát opakuje.
Výrobní proces v pohybu:
Následuje opětovné sušení, tentokrát v proudové (fluidní) sušárně – materiál je ve vznosu, ve stálém proudu předehřátého vzduchu postupně ztrácí vlhkost, zachytává se na filtrech, odtud se setřepe a putuje do dalšího výrobního kroku.
Výsledek procesu popsaného v předchozích dvou odstavcích. Čištění sice probíhá na molekulární úrovni, ale rozdíl je vidět i pouhým okem.
Vyčištěný a vysušený hydroxid nikelnatý je třeba smíchat s materiálem, který bude schopen odvádět elektrony z aktivní hmoty až do kovových částí elektrody. Tuhle roli plní uhlík, přesněji grafit (tuha). Ale i tuhu je potřeba trošku upravit – v expandéru za teploty 800°C a více se s grafitem stane něco podobného, jako když do mikrovlnky vložíte kukuřici a ona se změní v popcorn. Odborně řečeno expanduje, násobně zvětší plochu svého povrchu.
„Grafitový popcorn.“
Máme tedy zelený prášek, který je schopný měnit náboj, generovat nebo přijímat elektrony. A máme šedý prášek (expandovaný grafit), který odvede proud elektronů až na kovové pásky elektrody. Oba materiály se smísí a funkční materiál elektrody je hotový.
Rychlý pohled na pomalé kadmium
Dosud jsme se pohybovali na niklové straně Ni-Cd baterie a přes veškeré know-how, které se skrývá mezi předchozími řádky, je to v principu jednoduchá chemická reakce s mnoha úskalími v čištění a sušení materiálu. Reakce probíhá v kapalném skupenství a je prakticky okamžitá.
Postup kompletace kadmiové elektrody je v zásadě podobný jako u té niklové, jen je linka více uzavřená a přibylo odvětrávání. Z pochopitelného důvodu – kadmium je toxické.
Kadmiová část procesu je zdlouhavější. Rozpouštědlo pro kadmium prakticky neexistuje, takže potřebné reakce probíhají v pevném skupenství. Při výrobě se reakci pomáhá tak, že se látky pod vysokým tlakem válcují do tenoučkých lístečků, za současného dávkování aktivátoru. Vše se umístí do speciální nádoby a nechá se proběhnout reakce, u které se kontroluje teplotní průběh.
Bohužel tyto reakce někdy trvají od několika jednotek hodin až po dva dny. S poklesem teploty vzniklé směsi je pak možno zápornou hmotu přesítovat a poslat na zpracování do elektrod.
Chemie a fyzika jsou hotové, jdeme na strojařinu
Zpět k niklové elektrodě. Funkční materiál je hotový. Už jsem zmínil kovový pásek a tohle je on. Jeho úkolem je držet funkční hmotu uvnitř a odvádět elektrický náboj.
Hladká ocel o tloušťce pouhé desetiny milimetru se dá snadno ohnout mezi prsty.
V jedné dílně stojí 30 děrovacích strojů, které 24 hodin denně, 5 až 7 dní v týdnu pásek tzv. otevírají – dělají z něj takové velmi jemné struhadlo.
Stupeň otevření se pohybuje mezi 18 a 22 procenty – hodnota se měří opticky a na základě těchto dat se upravuje průchod perforační matricí.
Je několik způsobů, jak pásek otevřít. Jde to většími jehlany, které jsou odolné a nejsou náročné na přesnost, ale výsledné díry jsou velké a funkční hmota může propadávat. Další postup je, že se děruje jehlami z obou stran. Problém je, že při dalším zpracování má jedna strana „struhadla“ tendenci se zavírat, čímž se zmenší požadovaná otevřená plocha. V Bochemii se děruje velmi jemnými jehlami z jedné strany – hrubá strana jde proti funkční hmotě, hladká strana proti válci dalších strojů.
Detail matrice. Představu o jemnosti jehliček si uděláte ze srovnání s prsty. Přesto vydrží děrovat ocel měsíc v kuse s frekvencí cca 19 (!) perforací za sekundu. Jehličky jsou z rychlořezé oceli.
Když je pásek v dobré kvalitě, při perforaci z něj nevypadávají žádné částice a jehličky vydrží tři až čtyři týdny. Špatný pásek je zmaří během několika málo dní. Matrice (protikus k jehličkám) se děruje pomocí elektrochemického drátování a vydrží čtyři až pět měsíců.
Přesouváme se do jiné haly, kde pásek prochází jednoduchou mechanickou úpravou – promáčkne se, udělá se z něj jakési korýtko, do kterého vzápětí stroj dávkuje funkční materiál, směs hydroxidu nikelnatého s expandovaným grafitem.
Na prvním obrázku vidíte shora přicházet druhý perforovaný pásek, na druhém obrázku jsou kola, která oba pásky zalisují do sebe a funkční materiál uzavřou uvnitř.
Pak se pásky stříhají na požadovanou délku a díky záhybům vytvořeným při lisování zapadají jeden do druhého.
Vzniklé desky se zalisují do rámečku a elektroda je hotová.
V tomto momentě se sluší říct, že tloušťka zapouzdřeného pásku a z něj poskládané elektrody určuje vlastnosti baterie. Tenčích desek se vejde více, mají větší povrch a vydají silnější náboj. Tlustší desky mají náboj menší, ale déle jej udrží. Parametrů, které určují vlastnosti výsledné baterie, je více a GAZ (Geräte- und Akkumulatorenwerk Zwickau GmbH), dceřiná společnost Bochemie, podle toho pak nabízí produkty s různými vlastnostmi určené pro různé účely.
Tady už se jednotlivé elektrody v přesném pořadí skládají do článku. Vlevo vidíte niklové elektrody, jejichž zrod jsme v reportáži sledovali, vpravo jsou načervenalé kadmiové.
Elektrody se pochopitelně nesmí dotknout, takže se prokládají buď separátorem z netkané textilie, nebo plastovými rámečky. Celý sendvič se nakonec stáhne plastovou páskou.
Tady příběh končí
Svázané sendviče elektrod a separátorů se naloží a odvezou do německého Zwickau, kde je dceřiná společnost GAZ (Geräte- und Akkumulatorenwerk Zwickau GmbH) vloží do plastových boxů, hermeticky je zataví, naplní elektrolytem (roztok hydroxidu draselného) a následuje tzv. formace.
To je proces, při kterém je článek opakovaně nabíjen (přebíjen), což nutí niklovou aktivní hmotu k restrukturalizaci, aby se stala propustnější pro ionty, které mohou snadněji proudit mezi elektrodami.
Po prvním nabíjecím cyklu je baterie vybitá a elektrolyt se vylije, což také odstraní nečistoty a zbytky hmot z výrobního procesu. Zbylý roztok hydroxidu draselného (KOH) se filtruje a vrací se zpět do formačního procesu. V dalším cyklu je článek naplněn čerstvě připraveným elektrolytem a proces se opakuje. Poté následuje poslední cyklus nabíjení, kdy článek kromě KOH obsahuje také potřebné přísady, jako je hydroxid lithný (LiOH). Nabitý článek prochází specifickou kontrolou kvality a následně je připraven k odeslání zákazníkovi.
Ukázka hotového článku.
Zajímavé je, že pro některé účely se baterie expedují bez elektrolytu – ať už kvůli hmotnosti v letecké přepravě, nebo mají delší dobu čekat, než půjdou do akce. Zákazníci mají v takových případech tendenci říkat si o slevu – vždyť dostanou „jen prázdný akumulátor“. Jenže realita je přesně opačná. Elektrolyt se musí napustit, baterie se tzv. naformátuje, pak se elektrolyt zase odčerpá a vnitřek baterie se vysouší. Ve výsledku je prázdný akumulátor dražší než ten naplněný a k provozu připravený.
A jak vypadá výsledná baterie? To už záleží na konkrétních požadavcích zákazníka.