鉅大LARGE | 點擊量：1547次 | 2018年05月03日
從“材料”到“電池組” 一文讀懂動力電池生產(chǎn)全流程
鋰離子電池是一個復雜的體系，包含了正極、負極、隔膜、電解液、集流體和粘結(jié)劑、導電劑等，涉及的反應(yīng)包括正負極的電化學反應(yīng)、鋰離子傳導和電子傳導，以及熱量的擴散等，鋰離子電池的電性能、安全性受到多種因素的影響，因此鋰電池的設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)復雜性可想而知，今天小編就帶各位讀者朋友了解一下從動力電池從“材料選擇”到最終產(chǎn)生“電池組”的整個設(shè)計和生產(chǎn)流程。
一般而言，鋰離子電池的開發(fā)分為幾個周期，首先是實驗室內(nèi)的基礎(chǔ)研究，這一部分主要是適用扣式半電池，或者簡單的軟包電池，這一步主要的目的是測試材料和配方的性能，因為電池的結(jié)構(gòu)沒有進行優(yōu)化，因此這里得到的結(jié)果并不能直接應(yīng)用在生產(chǎn)上。在進行了實驗室級別的初步測試和評估后，好的材料和配方就會轉(zhuǎn)移到下一個階段——中試階段，在這一階段需要考慮電池的綜合性能，例如電池能量密度（正負極的涂布量）和快充、倍率等特性，并發(fā)現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)過程中可能面臨的工藝問題，及時做出調(diào)整。通過上述的過程，完善了電池配方和生產(chǎn)工藝后，成熟的產(chǎn)品才能最終投入正式生產(chǎn)。由于影響鋰離子電池性能的因素眾多，因此設(shè)計和生產(chǎn)或接的每一個參數(shù)都會對電池最終的電性能和安全性產(chǎn)生重大的影響，因此我們有必要深入了解材料、設(shè)計和工藝參數(shù)對于產(chǎn)品最終性能的影響。
1.電池材料
一款電池的設(shè)計要首先從材料的選擇開始，需要根據(jù)目標需求，例如能量密度、倍率特性、循環(huán)壽命和安全等指標，選擇合適的材料。正極材料選擇方面，我們可以選擇橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4，這種材料更加適合應(yīng)用在對能量密度需求不高的大巴車上，此外還有高容量的層狀材料，例如NCM和NCA，這些材料由于成本較高，更加適合應(yīng)用在純電動汽車上，尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4則更加適合應(yīng)用在混合動力汽車上。負極材料方面，目前主流的選擇是人造石墨、天然石墨和中間相結(jié)構(gòu)碳微球類的材料，在目前動力電池比能力指標不斷提高的情況下，我們也會在是石墨材料中添加少量的Si材料（一般<5%），以便提高負極的比容量。為了改善正負極的導電性，通常還需要在其中添加少量的導電劑，目前最常見的導電劑為炭黑類材料，碳纖維類材料，以及近幾年興起的碳納米管和石墨烯類材料。
此外，為了將活性物質(zhì)顆粒粘附在集流體的表面還需要添加1-4%的粘結(jié)劑，目前的粘結(jié)劑主要分為兩大類一類是油系粘結(jié)劑，主要是PVDF類粘結(jié)劑，PVDF具有非常好的電化學穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰離子電池粘結(jié)劑之一；另一大類是水系粘結(jié)劑，主要為CMC，以及SBR、PAA類的粘結(jié)劑。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
為了將鋰離子電池內(nèi)的電子傳導出來，我們還需要應(yīng)用到正負極的集流體，主要Al箔和Cu箔，目前主流的銅箔為8um，Al箔為15um，但是隨著鋰離子電池比能量的不斷提高，廠商已經(jīng)開始采用厚度更薄的6um銅箔和12um的Al箔，但是其強度較差，在使用中容易發(fā)生斷帶和起褶等問題。有時為了降低鋰離子電池內(nèi)阻，提高粘接性，我們還會在銅箔或者鋁箔表面涂布一層碳材料（3-5um），例如涂炭Al箔在LiFePO4材料體系中能夠起到比較好的效果。
隔膜也是鋰離子電池的重要做成部分，它承擔著隔絕電子導通離子的作用，目前常見的隔膜制備方法主要分為干法拉伸工藝和濕法工藝，干法拉伸工藝在成本上具有一定的優(yōu)勢，但是干法拉伸工藝制備的隔膜存在明顯的各向異性，濕法隔膜在各個方向上的強度基本一致，但是成本較高。目前為了提高鋰離子電池的比能量，隔膜的厚度持續(xù)變薄，為了保證鋰離子電池的安全性，涂層隔膜成為目前隔膜發(fā)展的主流趨勢，常見的涂層主要可以分為兩大類，一類是無機氧化物涂層，例如Al2O3，MgO等，有機物涂層能夠顯著的提升隔膜的熱穩(wěn)定性；另一類是有機聚合物類涂層隔膜，例如日本廠商采用的比較多的芳綸涂層隔膜，能夠有效的提升隔膜的抗氧化性。
電解液也是鋰離子電池的重要組成部分，在鋰離子電池內(nèi)部起到傳導Li+的作用，目前主流的鋰離子電池電解液主要是碳酸酯類電解液（一般至少包含兩種以上的碳酸脂類的溶劑，例如EC、DMC、EMC等），Li鹽一般采用LiPF6，為了改善電解液在負極表面成膜的質(zhì)量，我們通常還會在電解液中添加部分的成膜添加劑，例如常見的VC等，在針對硅碳類負極開發(fā)的電解液一般還會加入相當數(shù)量的FEC，以產(chǎn)生LiF含量更高的SEI膜，以提高負極SEI的穩(wěn)定性。此外，為了提高鋰離子電池的可靠性和安全性，我們也會在電解液內(nèi)添加少量的防過充添加劑、阻燃添加劑等成分。
2.電極生產(chǎn)
在完成了材料的選擇后，我們就進入到了下一個環(huán)節(jié)——電極生產(chǎn)，首先我們要從勻漿開始。鋰離子電池的勻漿是鋰離子電池生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，勻漿環(huán)節(jié)主要是將活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導電劑等成分混合成為均勻的懸濁液，通常我們會首先將粘結(jié)劑分散成為膠液，有一些工藝會將導電劑與膠液分散成為導電膠，然后與活性物質(zhì)混合，有的工藝會將導電劑和活性物質(zhì)一起與膠液進行混合，勻漿的關(guān)鍵在于如何將漿料中的各個成分分散均勻，為了達到這一目標需要對勻漿工藝進行優(yōu)化。目前隨著納米材料的逐漸普及，為了更好的分散納米級別的材料，鋰離子電池廠家也開始采用高速分散設(shè)備，利用高速剪切作用，使得漿料分散的更加均勻，此外有也不少材料廠家開發(fā)了大量的改善漿料分散行的助劑。
完成了漿料的分散后，下一步就是鋰離子電池的涂布了，目前常見的涂布工藝主要有滾涂和噴涂兩大類，滾涂設(shè)備目前已經(jīng)逐漸被淘汰，但是滾涂設(shè)備好清理，涂布寬度容易調(diào)節(jié)，僅需要很少的漿料就能夠完成涂布，因此在一些中式線和實驗室內(nèi)還有較多的應(yīng)用。噴涂設(shè)備，通過將漿料從噴頭處擠壓出來轉(zhuǎn)移到集流體上，完成涂布，噴涂設(shè)備能夠使用粘度和固含量更高的漿料，電極表面狀態(tài)也更好，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在實際生產(chǎn)中涂布速度一般控制在25-50m/min之間，要提高烘干速度主要是通過增加烘箱的長度，這樣雖然會增加一部分設(shè)備投資，但能夠顯著的加快生產(chǎn)進度、降低生產(chǎn)成本，但是增加烘箱長度也是有一定極限的，這主要是因為隨著烘箱長度的增加會導致集流體張力控制難度的增加，特別是在采用強度較低的超薄集流體時，這一問題也將變得更加突出，因此我們無法無限的增加烘箱的長度。此外高溫快速烘干也會加劇PVDF粘結(jié)劑在電極內(nèi)分布不均勻的現(xiàn)象，導致活性物質(zhì)的粘接力下降，因此我們也很難通過不斷提高烘箱溫度來提升電極的涂布速度，所以涂布速度的提升是有一定的限制的。
剛剛涂布、烘干后的電極一般孔隙率會在60-70%之間，隨后我們會利用輥壓機對其進行碾壓，使其孔隙率下降到40%左右，這樣一方面能夠提升電池的比能量，也能夠顯著的改善電極的導電性和粘結(jié)性。輥壓機輥輪的直徑一般在600-1000mm，較大的輥徑能夠增加有效碾壓區(qū)的長度，能夠減緩碾壓過程中的壓力變化速度，這對于厚電極來說尤為重要（厚電極很容易在碾壓過程中因為壓力過載而引起失效）。
在完成了電極碾壓后，我們需要根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)對電極將電極分切為一定的寬度，然后電極會在真空烘箱中進行干燥，以便出去電極中參與的水分，通常需要將電池中的水分含量控制在500ppm以下，以便將水分對于鋰離子電池壽命和副反應(yīng)的影響控制到最低。
3.單體電池生產(chǎn)
在電極烘干過程后，我們就進入到了鋰離子電池生產(chǎn)的下一個環(huán)節(jié)——單體電池的生產(chǎn)。為了防止烘干后的電極再次吸收水分，整個單體電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要在干燥間內(nèi)進行，環(huán)境露點一般控制在-40℃到-60℃。方形動力電池電芯的生產(chǎn)工藝主要有三大類，一種是卷繞工藝，這種工藝一般應(yīng)用在圓柱形電池的生產(chǎn)上，目前也應(yīng)用在方形電池的生產(chǎn)工藝上，這種工藝的主要優(yōu)勢是生產(chǎn)效率高，可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，缺點也很明顯，由于電芯邊緣處彎曲角度比較大，因此容易發(fā)生電極破碎，產(chǎn)生褶皺，引起缺陷的產(chǎn)生，特別是在厚電極的情況下，這一問題將變的更加嚴重；第二種是疊片工藝，疊片工藝是一種比較理想的工藝，正負極極片首先會進行沖切，獲得特定形狀的極片，然后選擇正極或者負極極片用隔膜制成封裝袋進行保護，然后手工或者疊片機進行疊片，這種工藝的優(yōu)勢是不會引起極片形變，可以采用更厚的電極，但是由于疊片過程是一個非連續(xù)的過程，因此疊片工藝的生產(chǎn)效率比較低，采用這種工藝的廠家比較少；第三種是Z型疊片工藝，這種工藝采用連續(xù)隔膜，將沖切好的正負極極片放置在隔膜中間，這種工藝在保留了疊片工藝的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，也加速了生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)效率，目前也有比較多的應(yīng)用。
生產(chǎn)好的電芯首先要焊接極耳，極耳焊接方式主要是采用超聲焊接工藝，采用卷繞工藝生產(chǎn)的電芯，受到電芯結(jié)構(gòu)的限制單個電芯無法做的很厚，因此通常會將2-4個電芯并聯(lián)焊接極耳，組成一個大電芯，疊片工藝生產(chǎn)的電池結(jié)構(gòu)上沒有限制，因此一般都是單個電芯焊接極耳。下一步就到了入殼工序，焊接好極耳的電芯外表裹上保護膜后，裝入到電池外殼之中，入殼后需要把極耳與電池殼的蓋子上的正負極極柱采用超聲焊、鉚接等工藝連接在一起，然后將電池的上蓋和外殼通過激光焊接在一起。
這里我們需要單獨談?wù)劮叫坞姵氐纳仙w，這也是方形電池殼技術(shù)含量最高、結(jié)構(gòu)最復雜的地方，這是因為我們不但要保證正、負極極柱之間，以及和電池殼體之間的絕緣，還要保證良好的密封性，避免環(huán)境中的水分進入到電池殼體內(nèi)部，目前最為常見的密封方式為壓縮密封，也就是在電極極柱和殼體之間采用塑料件絕緣，并通過壓縮塑料件的方式實現(xiàn)電池結(jié)構(gòu)的密封。雖然這一方法簡單有效，但是塑料件在長期形變的過程中會發(fā)生老化，導致密封可靠性下降，因此也有一些廠家，例如比亞迪開發(fā)了Al2O3陶瓷密封工藝，避免了塑料件老化的問題，據(jù)稱能夠保證電池30年以上的密封可靠性，這對于動力電池的梯次利用具有重要的意義。
在完成焊接后，通常還需要進行檢漏，并將其中漏率不合格的電池剔除，常見的檢漏方法包括直壓、倍壓和差壓等方法，良好的密封性是保證鋰離子電池性能長期穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵，因此電池檢漏也是方形動力電池生產(chǎn)中必不可少的一個環(huán)節(jié)。
經(jīng)過檢漏篩選的電池接下來就到了非常重要的注液工序，由于鋰離子電池的電解液對水分十分敏感，因此注液過程必須在干燥間內(nèi)部進行，為了改善電解液的浸潤效果，通常需要進行真空注液，也就是首先將電池內(nèi)部的空氣排盡，然后注入電解液，并反復幾次，使得電解液在電芯內(nèi)充分浸潤，隨后進行封口，并將電池放置在高溫環(huán)境下以促進電解液的浸潤。
電解液充分浸潤的電池隨后進入到了化成工序，化成主要是通過對電池進行小電流的充放電，對電池進行活化，在首次充電的過程中正極的電勢會不斷升高，而負極的電勢會不斷的下降，一般負極電勢下降到1V左右時，電解液中的EC組分和其他成膜添加劑，如VC、FEC等就會在負極表面發(fā)生分解形成SEI膜，并伴隨產(chǎn)氣，SEI膜的形成能夠阻止負極進一步與電解液發(fā)生反應(yīng)，因此好的SEI膜對于提升鋰離子電池的循環(huán)性能至關(guān)重要，目前通常會通過特殊的成膜添加劑和高溫化成等工藝，改善負極SEI膜的質(zhì)量。此外，由于電解液分解過程中通常會發(fā)生產(chǎn)氣的問題，產(chǎn)生的氣體可能會積累在電芯內(nèi)，導致電解液浸潤不充分，因此有的廠家為了將化成過程中的產(chǎn)氣排出，也會將電池封口安排在化成之后。
化成后的電池還需要進行老化，所謂的老化就是將滿電態(tài)的電池在一定的溫度下進行擱置，擱置過程中由于鋰離子電池內(nèi)部的一些副反應(yīng)，會導致電池的外電壓和內(nèi)阻的變化，通過對電池組的電壓、內(nèi)阻和容量等指標進行監(jiān)控，能夠剔除掉那些自放電不合格和內(nèi)阻不合格的電池，以提高單體電池的一致性，同時老化結(jié)果也是后續(xù)的電池組匹配的重要參考依據(jù)，為了加速電池老化的速度，提高生產(chǎn)效率，廠家通常會在高溫（50-60℃）下進行老化，以縮短電池老化時間。
4.電池模塊和電池組的組裝
單體電池完成老化后就進入到模塊組合的階段，在組合之前要首先進行篩選，也就是測試單體電池的容量、動態(tài)內(nèi)阻和電壓等數(shù)據(jù)，盡量選擇各個參數(shù)一致的電池進行匹配。一個大的電池組通常會由多個電池模塊組成，每個電池模塊則由多只單體電池通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合而成，串聯(lián)能夠提升電池模塊的電壓，并聯(lián)能夠提升電池模塊的容量，在為電池模塊進行單體電池匹配時遵循的原則一般是串聯(lián)優(yōu)先考慮容量，避免電池組在充放電過程中容量較低的模塊發(fā)生過充或者過放。并聯(lián)則優(yōu)先考慮內(nèi)阻，避免在大電流充放電的過程中因為電流分布不均造成的內(nèi)阻較小的電池發(fā)生過充或者過放。
在完成了單體電池的匹配后，就進入到了電池模塊的組合工序，這一工序通常是將匹配好的單體電池固定到電池組的模塊結(jié)構(gòu)件之中，然后利用匯流排將單體電池的電極極柱連接在一起。雖然電池組中的單體電池都經(jīng)過了精心的匹配，單體電池的容量和內(nèi)阻的一致性都非常好，但是在循環(huán)的過程由于單體電池衰降速度的不一致，也會導致電池組內(nèi)單體電池出現(xiàn)電壓偏差，為了減少電池組內(nèi)單體電池不一致性的問題，通常我們還會在電池組內(nèi)加入均衡器，在電池組內(nèi)部分單體的電壓偏差達到一定程度時，我們會啟動均衡器讓電池組內(nèi)的單體電池恢復一致。均衡器按照工作原理一般可以分為耗散型均衡和非耗散型均衡，耗散型均衡結(jié)構(gòu)最簡單，就是直接將電池組中電壓較高的電池放電，電能轉(zhuǎn)化為熱量耗散到環(huán)境之中；非耗散型均衡則比較復雜，電壓較高的單體電池電量會通過均衡器給電壓較低的電池充電，從而實現(xiàn)單體電池之間電壓的均衡。
電池組的溫度管理也是不容忽視的一部分，溫度是影響鋰離子電池性能的一個關(guān)鍵因素，特別是在電池組內(nèi)電池眾多的情況下，在充放電發(fā)熱的影響下，很容易導致電池組內(nèi)溫度分布不均勻，影響電池組的電性能和可靠性，有研究表明電池組內(nèi)的最大溫差從4.62℃，下降到2.5℃就能夠?qū)㈦姵亟M的可靠性從0.0635提高到0.9328（循環(huán)200次，無BMS和均衡系統(tǒng)管理），因此電池組內(nèi)部需要配套良好的加熱和散熱裝置。加熱比較簡單，通常通過加熱帶的方式進行升溫，近年來也有學者提出了一些電池內(nèi)部加熱的方式快速提升電池溫度的方法，散熱主要有風冷散熱（強制和非強制方式），以及散熱效果更好的水冷散熱等方式進行。
根據(jù)用戶的需求，一個動力電池組通常由數(shù)個電池模塊組成，這些模塊通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接在一起對外供電，滿足不同使用場景的需求。
此外，我們還需要為電池組安裝管理系統(tǒng)，也就是我們通常所說的BMS，BMS的主要功能是控制電池組的充放電，防止電池發(fā)生過充或者過放等問題，此外還需要管理電池組的均衡系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，提升電池組的性能和壽命。為了提升動力電池組的安全性，我們還會在電池組內(nèi)加入一些熱失控預警和阻斷裝置，以減少電池組熱失控造成的危害。
動力電池組從“材料”到“電池組”，普普通通的材料經(jīng)過鋰電人靈巧的雙手，經(jīng)過華麗的轉(zhuǎn)變成為驅(qū)動美好新生活的動力來源，可以說每一輛電動汽車、每一顆電芯都凝結(jié)著鋰電人的心血。
