一(yī / yì ／yí)文讀懂動力電池生産流程
锂電池在(zài)傳統領域主要(yào / yāo)應用于(yú)數碼産品,在(zài)新能源長足發展的(de)今天,普遍應用于(yú)動力電池、儲能領域。
電池技術本身并不(bù)怎麽高深莫測,基本原理就(jiù)是(shì)氧化還原反應。但能量載體們涉及到(dào)的(de)具體化學過程千變萬化。具體到(dào)實際應用中涉及到(dào)材料學、無機化學、有機化學、物理、表面、界面、熱力學、動力學、工程機械加工、電子(zǐ)電路技術等交織在(zài)一(yī / yì ／yí)起的(de)諸多問題。
氧化還原反應
锂離子(zǐ)電池是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)複雜的(de)體系,包含了(le／liǎo)正極、負極、隔膜、電解液、集流體和(hé / huò)粘結劑、導電劑等,涉及的(de)反應包括正負極的(de)電化學反應、锂離子(zǐ)傳導和(hé / huò)電子(zǐ)傳導,以(yǐ)及熱量的(de)擴散等。
一(yī / yì ／yí)般而(ér)言,锂離子(zǐ)電池的(de)開發分爲(wéi / wèi)幾個(gè)周期,首先是(shì)實驗室内的(de)基礎研究,這(zhè)一(yī / yì ／yí)部分主要(yào / yāo)是(shì)适用扣式半電池,或者簡單的(de)軟包電池,這(zhè)一(yī / yì ／yí)步主要(yào / yāo)的(de)目的(de)是(shì)測試材料和(hé / huò)配方的(de)性能,因爲(wéi / wèi)電池的(de)結構沒有進行優化,因此這(zhè)裏得到(dào)的(de)結果并不(bù)能直接應用在(zài)生産上(shàng)。
在(zài)進行了(le／liǎo)實驗室級别的(de)初步測試和(hé / huò)評估後,好的(de)材料和(hé / huò)配方就(jiù)會轉移到(dào)下一(yī / yì ／yí)個(gè)階段――中試階段,在(zài)這(zhè)一(yī / yì ／yí)階段需要(yào / yāo)考慮電池的(de)綜合性能,例如電池能量密度(正負極的(de)塗布量)和(hé / huò)快充、倍率等特性,并發現在(zài)大(dà)規模生産過程中可能面臨的(de)工藝問題,及時(shí)做出(chū)調整。通過上(shàng)述的(de)過程,完善了(le／liǎo)電池配方和(hé / huò)生産工藝後,成熟的(de)産品才能最終投入正式生産。
由于(yú)影響锂離子(zǐ)電池性能的(de)因素衆多,因此設計和(hé / huò)生産或接的(de)每一(yī / yì ／yí)個(gè)參數都會對電池最終的(de)電性能和(hé / huò)安全性産生重大(dà)的(de)影響,因此我們有必要(yào / yāo)深入了(le／liǎo)解材料、設計和(hé / huò)工藝參數對于(yú)産品最終性能的(de)影響。
電池材料選擇
锂電池原材料資源的(de)開采、加工,主要(yào / yāo)有锂資源、钴資源和(hé / huò)石墨。
能量密度、成本、安全性、熱穩定性、循環壽命是(shì)動力锂電池的(de)5個(gè)關鍵指标,三元材料,錳酸鉀與磷酸鐵锂任何一(yī / yì ／yí)個(gè)在(zài)這(zhè)5個(gè)方面都不(bù)具有絕對優勢,導緻動力锂電池極材料路線的(de)差異。
一(yī / yì ／yí)款電池的(de)設計要(yào / yāo)首先從材料的(de)選擇開始,需要(yào / yāo)根據目标需求,例如能量密度、倍率特性、循環壽命和(hé / huò)安全等指标,選擇合适的(de)材料。正極材料選擇方面,我們可以(yǐ)選擇橄榄石結構的(de)LiFePO4,這(zhè)種材料更加适合應用在(zài)對能量密度需求不(bù)高的(de)大(dà)巴車上(shàng),此外還有高容量的(de)層狀材料,例如NCM和(hé / huò)NCM,這(zhè)些材料更加适合應用在(zài)純電動汽車上(shàng),尖晶石結構的(de)LiMN2O4則更加适合應用在(zài)混合動力汽車上(shàng)。
負極材料方面,石墨一(yī / yì ／yí)直是(shì)锂電池負極材料的(de)不(bù)二選擇,事實上(shàng)如果隻考慮能量密度的(de)話,金屬錫更适合作爲(wéi / wèi)負極材料。
爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)改善正負極的(de)導電性,通常還需要(yào / yāo)在(zài)其中添加少量的(de)導電劑,目前最常見的(de)導電劑爲(wéi / wèi)炭黑類材料,碳纖維類材料,以(yǐ)及近幾年興起的(de)碳納米管和(hé / huò)石墨烯類材料。
此外,爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)将電極粘附在(zài)集流體的(de)表面還需要(yào / yāo)添加1-4%的(de)粘結劑,目前的(de)粘結劑主要(yào / yāo)分爲(wéi / wèi)兩大(dà)類一(yī / yì ／yí)類是(shì)油系粘結劑,另一(yī / yì ／yí)大(dà)類是(shì)水系粘結劑。
電池的(de)四個(gè)部件非常關鍵:正極(放電爲(wéi / wèi)陰極),負極(放電爲(wéi / wèi)陽極),電解質,膈膜。正負極是(shì)發生化學反應的(de)地(dì / de)方,重要(yào / yāo)地(dì / de)位可以(yǐ)理解。但是(shì)電解質有啥麽用處?做功還很占重量。
電池内部,金屬锂在(zài)負極失去電子(zǐ)被氧化,成爲(wéi / wèi)锂離子(zǐ),通過電解質向正極轉移;正極材料得到(dào)電子(zǐ)被還原,被正極過來(lái)的(de)锂離子(zǐ)中和(hé / huò)。電解質的(de)理想作用,是(shì)運送且僅運送锂離子(zǐ)。電池外部,電子(zǐ)從負極通過外界電路轉移到(dào)正極,中間進行做功。理想情況下,電解質應該是(shì)好的(de)锂離子(zǐ)的(de)載體,但絕不(bù)能是(shì)好的(de)電子(zǐ)載體。因此在(zài)沒有外界電路時(shí),電子(zǐ)無法在(zài)電池内部從負極轉移到(dào)正極;隻有存在(zài)外界電路時(shí),電子(zǐ)轉移才能進行。
單體電池的(de)生産
第一(yī / yì ／yí)步,單體電極的(de)生産
混:将電極活性材料、粘結劑、溶劑等混合在(zài)一(yī / yì ／yí)起,充分攪拌分散後,形成漿料。
塗:将制備的(de)漿料以(yǐ)指定厚度均勻塗布到(dào)集流體(鋁箔或銅箔等)上(shàng)。
烘:高溫烘烤幹燥處理。
“混”和(hé / huò)“烘”是(shì)有聯系的(de),“烘”是(shì)爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)更好的(de)将混合的(de)漿料固定在(zài)鋁箔或銅箔上(shàng),而(ér)“烘”流程是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)高耗能環節,如能改善該環節,即可降低锂電池的(de)正負極生産成本。
锂離子(zǐ)電池的(de)勻漿是(shì)锂離子(zǐ)電池生産的(de)關鍵環節,勻漿環節主要(yào / yāo)是(shì)将活性物質、粘結劑和(hé / huò)導電劑等成分混合成爲(wéi / wèi)均勻的(de)懸濁液,通常我們會首先将粘結劑分散成爲(wéi / wèi)膠液,然後有一(yī / yì ／yí)些工藝會首先将導電劑與膠液分散成爲(wéi / wèi)導電膠,然後與活性物質混合。
有的(de)工藝會将導電劑和(hé / huò)粘結劑一(yī / yì ／yí)起與膠液進行混合,勻漿的(de)關鍵在(zài)于(yú)如何将漿料中的(de)各個(gè)成分分散均勻,爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)達到(dào)這(zhè)一(yī / yì ／yí)目标需要(yào / yāo)對勻漿工藝進行優化,目前主要(yào / yāo)的(de)勻漿工藝主要(yào / yāo)分爲(wéi / wèi)幹法勻漿和(hé / huò)濕法勻漿,目前随着納米材料的(de)逐漸普及,目前廠锂離子(zǐ)電池廠家也(yě)開始采用高速分散設備,利用高速剪切作用,使得漿料分散的(de)更加均勻,此外有也(yě)不(bù)少材料廠家開發了(le／liǎo)大(dà)量的(de)改善漿料分散行的(de)助劑。
第二步,單體電池的(de)生産
在(zài)完成了(le／liǎo)上(shàng)述的(de)電極烘幹過程後,我們就(jiù)進入到(dào)了(le／liǎo)锂離子(zǐ)電池生産的(de)下一(yī / yì ／yí)個(gè)環節――單體電池的(de)生産。
壓:輥壓是(shì)對已塗好的(de)正負極材料進行軋壓使其壓實更好的(de)依附在(zài)鋁箔或銅箔上(shàng)。
切:分切是(shì)對已軋壓好的(de)極片按工藝标準分切成條。
爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)防止烘幹後的(de)電極再次吸收水分,整個(gè)單體電池生産環節都需要(yào / yāo)在(zài)幹燥間内進行。
方形動力電池電芯的(de)生産工藝主要(yào / yāo)有三大(dà)類,一(yī / yì ／yí)種是(shì)卷繞工藝,這(zhè)種工藝一(yī / yì ／yí)般應用在(zài)圓柱形電池的(de)生産上(shàng),目前也(yě)應用在(zài)方形電池的(de)生産工藝上(shàng),這(zhè)種工藝的(de)主要(yào / yāo)優勢是(shì)生産效率高,可以(yǐ)實現連續生産,缺點也(yě)很明顯,由于(yú)電芯邊緣處彎曲角度比較大(dà),因此容易發生電極破碎,産生缺陷,特别是(shì)在(zài)厚電極的(de)情況下,這(zhè)一(yī / yì ／yí)問題将變的(de)更加嚴重;
第二種是(shì)疊片工藝,疊片工藝是(shì)一(yī / yì ／yí)種比較理想的(de)工藝,正負極極片首先會進行沖切,獲得特定形狀的(de)極片,然後選擇正極或者負極極片用隔膜制成封裝袋進行保護,然後手工或者疊片機進行疊片,這(zhè)種工藝的(de)優勢是(shì)不(bù)會引起極片形變,可以(yǐ)采用更厚的(de)電極,但是(shì)由于(yú)疊片過程是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)非連續的(de)過程,因此疊片工藝的(de)生産效率比較低,采用這(zhè)種工藝的(de)廠家比較少;
第三種是(shì)Z型疊片工藝,這(zhè)種工藝采用連續隔膜,将沖切好的(de)正負極極片放置在(zài)隔膜中間,這(zhè)種工藝在(zài)保留了(le／liǎo)疊片工藝的(de)優勢的(de)基礎上(shàng),也(yě)加速了(le／liǎo)生産過程,提高了(le／liǎo)生産效率,目前也(yě)有比較多的(de)應用。
生産好的(de)電芯首先要(yào / yāo)焊接極耳,極耳焊接方式主要(yào / yāo)是(shì)采用超聲焊接工藝,采用卷繞工藝生産的(de)電芯,受到(dào)電芯結構的(de)限制單個(gè)電芯無法做的(de)很厚,因此通常會将2-4個(gè)電芯并聯焊接極耳,疊片工藝生産的(de)電池結構上(shàng)沒有限制,因此一(yī / yì ／yí)般都是(shì)單個(gè)電芯焊接極耳。下一(yī / yì ／yí)步就(jiù)到(dào)了(le／liǎo)入殼工序,焊接好極耳的(de)電芯外表裹上(shàng)保護膜後,裝入到(dào)電池外殼之(zhī)中,入殼後需要(yào / yāo)把極耳與電池殼的(de)蓋子(zǐ)上(shàng)的(de)正負極極柱采用超聲焊、鉚接等工藝連接在(zài)一(yī / yì ／yí)起,然後将電池的(de)上(shàng)蓋和(hé / huò)外殼通過激光焊接焊在(zài)一(yī / yì ／yí)起。
在(zài)完成焊接後,通常還需要(yào / yāo)進行檢漏,并将其中漏率不(bù)合格的(de)電池剔除,常見的(de)檢漏方法包括直壓、倍壓和(hé / huò)差壓等方法,良好的(de)密封性是(shì)保證锂離子(zǐ)電池性能長期穩定可靠的(de)關鍵,因此電池檢漏也(yě)是(shì)方形動力電池生産中必不(bù)可少的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)環節。
經過檢漏篩選的(de)電池接下來(lái)就(jiù)到(dào)了(le／liǎo)非常重要(yào / yāo)的(de)注液工序,由于(yú)锂離子(zǐ)電池的(de)電解液對水分十分敏感,因此注液過程必須在(zài)幹燥間内部進行,爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)改善電解液的(de)浸潤效果,通常需要(yào / yāo)進行真空注液。
電解液充分浸潤的(de)電池随後進入到(dào)了(le／liǎo)化成工序,化成主要(yào / yāo)是(shì)通過對電池進行小電流的(de)充放電,對電池進行活化。
此外,由于(yú)電解液分解過程中通常會發生産氣的(de)問題,産生的(de)氣體可能會積累在(zài)電芯内,導緻電解液浸潤不(bù)充分,因此有的(de)廠家爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)将化成過程中的(de)産氣排出(chū),也(yě)會将電池封口安排在(zài)化成之(zhī)後。
化成後的(de)電池還需要(yào / yāo)進行老化,所謂的(de)老化就(jiù)是(shì)将滿電态的(de)電池在(zài)一(yī / yì ／yí)定的(de)溫度下進行擱置,擱置過程中由于(yú)锂離子(zǐ)電池内部的(de)一(yī / yì ／yí)些副反應,會導緻電池的(de)外電壓和(hé / huò)内阻的(de)變化,通過對電池組的(de)電壓、内阻和(hé / huò)容量等指标進行監控,能夠剔除掉那些自放電不(bù)合格和(hé / huò)内阻不(bù)合格的(de)電池,以(yǐ)提高單體電池的(de)一(yī / yì ／yí)緻性,同時(shí)老化結果也(yě)是(shì)後續的(de)電池組匹配的(de)重要(yào / yāo)參考依據,爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)加速電池老化的(de)速度,提高生産效率,廠家通常會在(zài)高溫(50-60℃)下進行老化,以(yǐ)縮短電池老化時(shí)間。
電池模塊和(hé / huò)電池組的(de)組裝
單體電池完成老化後就(jiù)進入到(dào)模塊組合的(de)階段,在(zài)組合之(zhī)前要(yào / yāo)首先進行篩選,也(yě)就(jiù)是(shì)測試單體電池的(de)容量、動态内阻和(hé / huò)電壓等數據,盡量選擇各個(gè)參數一(yī / yì ／yí)緻的(de)電池進行匹配。
一(yī / yì ／yí)個(gè)大(dà)的(de)電池組通常會由多個(gè)電池模塊組成,每個(gè)電池模塊則由多隻單體電池通過串聯和(hé / huò)并聯的(de)方式組合而(ér)成,串聯能夠提升電池模塊的(de)電壓,并聯能夠提升電池模塊的(de)容量,在(zài)爲(wéi / wèi)電池模塊進行單體電池匹配時(shí)遵循的(de)原則一(yī / yì ／yí)般是(shì)串聯優先考慮容量,以(yǐ)減少電池組在(zài)充放電過程中容量較低的(de)模塊發生過充或者過放。并聯則優先考慮内阻,避免在(zài)大(dà)電流充放電的(de)過程中因爲(wéi / wèi)電流分布不(bù)均造成的(de)内阻較小的(de)電池發生過充或者過放。
在(zài)完成了(le／liǎo)單體電池的(de)匹配後,就(jiù)進入到(dào)了(le／liǎo)電池模塊的(de)組合工序,這(zhè)一(yī / yì ／yí)工序通常是(shì)将匹配好的(de)單體電池固定到(dào)電池組的(de)模塊結構件之(zhī)中,然後利用彙流排将單體電池的(de)電極極柱連接在(zài)一(yī / yì ／yí)起。
雖然電池組中的(de)單體電池都經過了(le／liǎo)精心的(de)匹配,單體電池的(de)容量和(hé / huò)内阻的(de)一(yī / yì ／yí)緻性都非常好,但是(shì)在(zài)循環的(de)過程由于(yú)單體電池衰降速度的(de)不(bù)一(yī / yì ／yí)緻,也(yě)會導緻電池組内單體電池出(chū)現電壓偏差,爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)減少電池組内單體電池不(bù)一(yī / yì ／yí)緻性的(de)問題,通常我們還會在(zài)電池組内加入均衡器,在(zài)電池組内部分單體的(de)電壓偏差達到(dào)一(yī / yì ／yí)定程度時(shí),我們會啓動均衡器讓電池組内的(de)單體電池恢複一(yī / yì ／yí)緻。
均衡器按照工作原理一(yī / yì ／yí)般可以(yǐ)分爲(wéi / wèi)耗散型均衡和(hé / huò)非耗散型均衡,耗散型均衡結構最簡單,就(jiù)是(shì)直接将電池組中電壓較高的(de)電池放電,電能轉化爲(wéi / wèi)熱量耗散到(dào)環境之(zhī)中,非耗散型均衡則比較複雜,電壓較高的(de)單體電池電量會通過均衡器給電壓較低的(de)電池充電,從而(ér)實現單體電池之(zhī)間電壓的(de)均衡。
電池組的(de)溫度管理也(yě)是(shì)不(bù)容忽視的(de)一(yī / yì ／yí)部分,溫度是(shì)影響锂離子(zǐ)電池性能的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)關鍵因素,特别是(shì)在(zài)電池組内電池衆多的(de)情況下,在(zài)充放電發熱的(de)影響下,很容易導緻電池組内溫度分布不(bù)均勻,影響電池組的(de)電性能和(hé / huò)可靠性。
實驗驗證電池組的(de)不(bù)一(yī / yì ／yí)緻性
根據用戶的(de)需求,一(yī / yì ／yí)個(gè)動力電池組通常由數個(gè)電池模塊組成,這(zhè)些模塊通過串聯的(de)方式連接在(zài)一(yī / yì ／yí)起對外供電,滿足不(bù)同使用場景的(de)需求。
此外,我們還需要(yào / yāo)爲(wéi / wèi)電池組安裝管理系統,也(yě)就(jiù)是(shì)我們通常所說(shuō)的(de)BMS,BMS的(de)主要(yào / yāo)功能是(shì)控制電池組的(de)充放電,防止電池發生過充或者過放等問題,此外還需要(yào / yāo)管理電池組的(de)均衡系統和(hé / huò)熱管理系統,提升電池組的(de)性能和(hé / huò)壽命。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)提升動力電池組的(de)安全性,我們還會在(zài)電池組内加入一(yī / yì ／yí)些熱失控預警和(hé / huò)阻斷裝置,以(yǐ)減少電池組熱失控造成的(de)危害。
來(lái)源：清研車聯
