鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：331次 | 2024年01月05日
軟包鋰電池是最合適的動(dòng)力鋰電池技術(shù)路線嗎？
隨著能量密度要求的不斷提高，各個(gè)生產(chǎn)商都在著力提高自家產(chǎn)品的參數(shù)，重要的沿著兩條半路線在努力：一個(gè)是加緊研發(fā)高比能量的正極材料，另外一個(gè)是提高電池單體容量，減小殼體等輔助結(jié)構(gòu)在單體中所占比重。另外半條，是考慮轉(zhuǎn)型軟包電池，這從目前主流電池廠積極承接國(guó)家軟包電池方向科研項(xiàng)目可以窺見一斑。軟包電池是不是最合適的動(dòng)力鋰電池技術(shù)路線？今天涂布在線整理一些軟包電池方面內(nèi)容，一起預(yù)測(cè)一下動(dòng)力鋰電池未來(lái)技術(shù)路線。
軟包電池基本結(jié)構(gòu)
軟包電池的基本結(jié)構(gòu)與圓柱和方形是類似的，都是正極、負(fù)極、隔膜、絕緣材料、正負(fù)極極耳和殼體，只是軟包電池的課題是鋁塑膜。
鋁塑膜結(jié)構(gòu)如上圖所示：最外層是尼龍層，中間是鋁箔，內(nèi)層為熱封層，每層之間以粘結(jié)劑粘合。
鋁塑膜被要求具備如下特點(diǎn)：具備極高的阻隔性；具有良好的熱封性能；材料耐電解液及強(qiáng)酸腐蝕；具有良好的延展性、柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
軟包電池優(yōu)點(diǎn)
軟包電池，鋁塑膜變形空間較大，不像鋼殼鋁殼電芯那樣熱失控時(shí)候會(huì)發(fā)生爆炸；殼體是一層鋁塑膜，重量輕，非活性部分所占比重小，軟包電池重量較同等容量的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%；相同尺寸規(guī)格相比，容量更大，軟包電池較同等規(guī)格尺寸的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高5～10%；殼體強(qiáng)度低，循環(huán)過(guò)程中對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力小，對(duì)循環(huán)壽命有益（當(dāng)然是在成組設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有施加額外的應(yīng)力的情況下）；極耳位置充裕，充放電過(guò)程中，熱量分布均勻。
軟包電池的缺點(diǎn)
殼體強(qiáng)度低，對(duì)成組技術(shù)依賴性強(qiáng)；與卷繞生產(chǎn)方式相比，疊片的生產(chǎn)效率相對(duì)較低；
軟包電池的一般生產(chǎn)流程
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
由于外殼是鋁塑膜，其生產(chǎn)工藝在一些方面與其它兩類商用電池不同。比如鋁塑膜的封裝工藝，比如化成過(guò)程中的整形工藝等。
軟包電池封裝工序
鋁塑膜成型工序，軟包電芯可以根據(jù)客戶的需求設(shè)計(jì)成不同的尺寸，當(dāng)外形尺寸設(shè)計(jì)好后，就要開具相應(yīng)的模具，使鋁塑膜成型。成型工序也叫作沖坑，顧名思義，就是用成型模具在加熱的情況下，在鋁塑膜上沖出一個(gè)能夠裝卷芯的坑。
鋁塑膜沖好并裁剪成型后，一般稱為Pocket袋。一般在電芯較薄的時(shí)候選擇沖單坑，在電芯較厚的時(shí)候選擇沖雙坑，因?yàn)橐贿叺淖冃瘟刻髸?huì)突破鋁塑膜的變形極限而導(dǎo)致破裂。
有時(shí)候根據(jù)設(shè)計(jì)的要，會(huì)在氣袋的位置再?zèng)_一個(gè)小坑，以擴(kuò)大氣袋的體積。
頂側(cè)封工序，頂側(cè)封工序是軟包鋰離子電芯的第一道封裝工序。頂側(cè)封實(shí)際包含了兩個(gè)工序，頂封與側(cè)封。首先要把卷繞好的卷芯放到?jīng)_好的坑里，然后沿虛線位置將包裝膜對(duì)折。
下面這種圖是鋁塑膜裝入卷芯后，要封裝的幾個(gè)位置，包括頂封區(qū)、側(cè)封區(qū)、一封區(qū)與二封區(qū)。下面涂布在線分別進(jìn)行介紹。
把卷芯放到坑中之后，就把整個(gè)鋁塑膜可以放到夾具中，在頂側(cè)封機(jī)里進(jìn)行頂封與側(cè)封了。頂側(cè)封機(jī)是這樣子的：
圖中這種型號(hào)的頂側(cè)封機(jī)帶四個(gè)夾具，左邊那個(gè)工位是頂封，右邊那個(gè)工位是側(cè)封。那兩塊黃色的金屬是上封頭，下面還有一個(gè)下封頭，封裝的時(shí)候兩個(gè)封頭帶有一定的溫度（一般在180℃左右），合攏時(shí)壓在鋁塑膜上，鋁塑膜的PP層就熔化然后黏結(jié)在一起了，這樣就封裝OK了。
還是重要來(lái)說(shuō)說(shuō)頂封，頂封區(qū)域的示意圖如下圖所示。頂封是要封住極耳的，極耳是金屬（正極鋁，負(fù)極鎳），怎么跟PP封裝到一起呢？這就要靠極耳上的一個(gè)小部件極耳膠來(lái)完成了。在極耳位的封裝見下圖中圓圈部分所示。封裝時(shí)，極耳膠中的PP與鋁塑膜的PP層熔化黏結(jié)，形成了有效的封裝結(jié)構(gòu)。
注液、預(yù)封工序，軟包電芯在頂側(cè)封之后，要做X-ray檢查其卷芯的平行度，然后就進(jìn)干燥房除水氣去了。在干燥房靜置若干時(shí)間時(shí)候，就進(jìn)入了注液與預(yù)封工序。
通過(guò)上面的介紹我們了解，電芯在頂側(cè)封完成之后，就只剩下氣袋那邊的一個(gè)開口，這個(gè)開口就是用來(lái)注液的。在注液完成之后，要馬上進(jìn)行氣袋邊的預(yù)封，也叫作一封。一封封裝完成后，電芯從理論上來(lái)說(shuō)，內(nèi)部就是完全與外部環(huán)境隔絕了。一封的封裝原理與頂側(cè)封相同，這里就不贅述了。
靜置、化成、夾具整形工序，在注液與一封完成后，首先要將電芯進(jìn)行靜置，根據(jù)工藝的不同會(huì)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(rùn)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(shí)就是一個(gè)充放電的裝置，我找了好久沒(méi)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?；删褪菍?duì)電芯的首次充電，但不會(huì)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(dāng)于一個(gè)把電芯激活的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一定量的氣體，這也就是為何鋁塑膜要預(yù)留一個(gè)氣袋。有些廠的工藝會(huì)使用夾具化成，即把電芯夾在夾具里（有時(shí)候圖簡(jiǎn)便就用玻璃板，然后上鋼夾子）再上柜化成，這樣出現(xiàn)的氣體會(huì)被充分地?cái)D到旁邊的氣袋中去，同時(shí)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(yīng)力較大，可能會(huì)出現(xiàn)一定的變形。所以某些廠會(huì)在化成后設(shè)置一個(gè)夾具整形的工序，也叫作夾具烘烤。
二封工序，剛才說(shuō)了化成過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)氣體，所以我們要將氣體抽出然后再進(jìn)行第二次封裝。在這里有些公司成為兩個(gè)工序：排氣與二封，還有后面一個(gè)剪氣袋的工序，這里涂布在線就一起籠統(tǒng)的都稱為二封了。
二封時(shí)，首先由鍘刀將氣袋刺破，同時(shí)抽真空，這樣氣袋中的氣體與一小部分電解液就會(huì)被抽出。然后馬上二封封頭在二封區(qū)進(jìn)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(gè)軟包電芯就基本成型了。二封是鋰離子電池的最后一個(gè)封裝工序，其原理還是跟前面的熱封裝相同，不再贅述。
化成過(guò)程中的加壓工藝
由于軟包裝電池采用鋁塑封裝結(jié)構(gòu)，其外型結(jié)構(gòu)決定了極片不能緊密排列，極片之間容易出現(xiàn)空隙，在電池化成過(guò)程中出現(xiàn)的氣體也容易在極片之間殘留，在之后的封口中氣體不能完全排出，從而影響電池性能，所以考慮采取在化成兩次充電之間采用滾壓工藝將極片之間的氣體排除。
電池負(fù)極片存在大量死區(qū)，而后面圖中，電池負(fù)極表面完整，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)死區(qū)現(xiàn)象。軟包電池在化成過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)氣體，其在化成過(guò)程中會(huì)加大正極、隔膜、負(fù)極間的距離，阻礙鋰離子從正極片到負(fù)極片的傳輸，另外，氣體的存在還會(huì)阻礙電解液與正極、負(fù)極的接觸，使得負(fù)極局部浸潤(rùn)性能變差，最終導(dǎo)致在負(fù)極片上存在大量未反應(yīng)的死區(qū)。
通過(guò)一個(gè)月前后兩次電壓比較發(fā)現(xiàn)，未滾壓和適當(dāng)滾壓的電池的兩次壓差很低，表明容量衰減很低，而施加滾壓力最大的電芯，壓差很大，表明容量衰減很大，可能是由于電池滾壓的壓力過(guò)大，造成隔膜局部刺穿，進(jìn)而造成電池內(nèi)部微短路，造成容量衰減。
由此可見，適當(dāng)?shù)臅r(shí)間施加適當(dāng)?shù)臐L壓力，是軟包成型工藝中的一個(gè)獨(dú)特環(huán)節(jié)。
軟包鋰離子電池模組的壓力
軟包鋰離子電池模塊一般采用層疊的方式構(gòu)成模塊，在模塊中對(duì)層疊的電池施加一定的力進(jìn)行壓緊，其用途重要是對(duì)電池進(jìn)行約束。該壓力若太小則電池在隨車體振動(dòng)時(shí)容易被損壞;太大則會(huì)對(duì)電池的壽命出現(xiàn)負(fù)面影響。因此進(jìn)行軟包鋰離子電池模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮給電池施加一個(gè)合適的壓力。小的堆疊壓力能防止層與層脫開，對(duì)電池長(zhǎng)期壽命有利。但由于循環(huán)鋰離子的流失，較大的壓力導(dǎo)致較大的容量衰減率。另外，堆疊壓力還會(huì)導(dǎo)致隔膜局部變形以及化學(xué)降解。當(dāng)電池容量從0～100%變化時(shí)，鋰離子電池的厚度會(huì)新增1.2%左右。從這些研究結(jié)果來(lái)看，鋰離子電池外部壓力對(duì)電池的性能有明顯的影響，在進(jìn)行鋰離子電池模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。
