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圆柱电池制备

2023-05-31

锂离子圆柱电池的生产工序可以概括为3大工段，21道工序。3大工段划分是前段工序（极片制备）、中段工序（电芯装配）、后段工序（化成封装）。21道工序划分是负极匀浆、正极匀浆、涂布、辊压、分切、制片、卷绕、入壳、底焊、滚槽、烘烤、注液、焊接、封口、清洗、套膜、活化、化成、老化、分选、分容。

前段

前段工序主要是极片制备阶段，包括正（负）极匀浆、涂布、辊压、分切、制片。

行星搅拌机

涂布机

辊压机

分条机

分条机

正（负）极匀浆：
将正（负）极活性物质、导电剂、粘结剂等正（负）极物质混淆在一起的混料历程，混料是把电池活性物质质料和辅料，在溶剂中进行高度疏散形成牛顿型高粘度流体，抵达将活性物质、导电剂、粘结剂及其它添加剂充分混淆，均匀疏散的目的。

涂布：
将浆料通过涂布机在集流体外貌涂覆一层厚度均匀的涂层，再经过烘道加热将溶剂除去，获得极片。

辊压：
涂布完成后，极片需通过辊压机调解轧辊间隙、收放卷位置、张力等，并用试片试压，确保试压后的试片厚度切合工艺参数要求。

分切：
将较宽的极片用分切机分切成单颗电芯所需要的宽度。

制片：

在制片机上焊接极耳并在极耳位置贴上绝缘胶包覆裸露的集流体和极耳。

涂布机

涂布的主要目的是将稳定性好、粘度好、流动性好的浆料，均匀地涂覆在正负极外貌上。其对锂电池的重要意义主要体现在一致性、循环寿命、宁静性三方面。

在涂布历程中，若极片前、中、后三段位置正负极浆料涂层厚度纷歧致，或者极片前后参数纷歧致，则容易引起电池容量过低或过高，且可能在电池循环历程中形成析锂，影响电池寿命。涂布历程要严格确保没有颗粒、杂物、粉尘等混入极片中，如果混入杂物会引起电池内部微短路，严重时导致电池起火爆炸。

因此为使中段的卷绕工艺能尽可能粗细均匀、紧密，要求正负极的涂布误差尽可能小，涂布机的先进水平会直接影响电池化学性能的优劣，以及最终产品的良品率（电池厂家通常要求在99%以上）。涂布机是前段工序的焦点设备。涂布机经历了三种结构类型的演化，依次是刮刀式、转移式、狭缝挤压式涂布。

刮刀式主要应用于实验室条件下；转移式涂布主要应用于3C电池的生产；狭缝式挤压涂布主要应用于动力电池，近几年该类型由于动力电池生产需求的爆发而快速增加。

挤压涂布技术作为这三种中最先进的技术，可以用于较高粘度流体涂布，获得较高精度的涂层。

涂布机设备的技术先进水平主要考察四个方面：涂布技术，张力技术，纠偏技术，干燥技术。涂布技术需要满足差别厚度的生产要求，现在正极锂电铝箔厚度已经薄至6-8微米，负极锂电铜箔厚度已经薄至4.5-6微米，隔膜涂布也只有几个微米，石墨烯涂布甚至更薄，差别的厚度还需要针对客户开发差别的涂布要领，包管对浆料的涂布厚度精度控制在2微米以下。张力技术，由于幅材沿着涂布偏向运动不可制止地泛起张力不均匀状态，导致涂布质量缺乏一致性，因此需要确保片路运行历程中各段均有良好的张力控制。纠偏技术，由于涂布设备长度多在数十米，片路运行历程中会泛起位置偏差，为了包管无论是铜膜铝膜照旧很薄的隔膜都能在片路上平稳有效地运行，并实现精密涂布，需要选用差别的驱动形式配合响应的控制系统来纠偏。干燥技术，涂布生产的速度瓶颈在于烘干干燥，最直接的手段是加长风箱，但会带来本钱和占地增加，增强之后还需要增强纠偏和张力控制，要想进一步改善干燥效率就需要革新风场的控制，温度场的控制，结构形式，尽量在包管涂布速度的情况下减小风箱长度。

辊压机

辊压的意义在于压实极片，提高电池的能量密度。极片在完成上一工序的涂布、干燥后，活性物质与箔片的剥离强度很低，此时需要对其进行辊压，增强活性物质与箔片的粘接强度，以防在电解液浸泡、电池使用历程中剥落。合适的压实密度可增大电池的放电容量、减小内阻、减小极化损失、延长电池的循环寿命、提高锂离子电池的利用率。

极片辊压一般由双辊压机完成，双辊压机是由两个铸钢压实辊以及电机和传动轴组成�？艄跹鼓Ｊ胶�，电机发动上下辊同时转动，收卷机构拉动极片将稳步穿过辊压间隙，最终被压到所需压实密度。辊压历程对电芯性能影响很大。辊压历程会泛起几个典范问题：①极片厚度纷歧致。厚度纷歧致，意味着活物质密度纷歧致，锂离子和电子在极片中传输、传导速率会有所差别。当电流密度差别时，极易引起锂枝晶的析出，对电芯性能倒运。别的，极片厚度差别时，活性物质与集流体之间的接触电阻也差别，极片越厚内阻越大，电池极化也就越严重，影响电芯容量。

极片部分位置泛起过压。由于涂布时部分位置厚度过厚，辊压后则有可能泛起过压的现象。过压的位置活物质颗粒泛起破碎，活物质颗粒间接触紧密，在电芯充放电历程中，电子导电性增强，但离子移动通道减小或梗塞，倒运于容量发挥，放电历程中极化增大，电压下降，容量减小。同时，过压后影响电解液的浸润效果，对电芯的性能也有很大的影响。

从工艺流程上看，辊压质量还会直接影响后续的极片加工效果。辊压后极片的理想状态是极片外貌平整、光泽度一致、留白部分无明显海浪、极片无洪流平翘曲。可是在实际生产中，操作熟练度、设备运行情况等不可制止会爆发一些问题，影响后续工序中的极片分切，导致分切极片宽度纷歧致，极片泛起毛刺。辊压结果还会影响极片的卷绕，严重的翘曲会造成极片卷绕历程中极片、隔膜间爆发较大的空隙，在热压后会形成某些部分多层隔膜叠加，成为应力集中点，影响电芯性能。

分切机
分切机的功效是将辊压后的极片分切到需要的宽度，是卷绕的前一道要害工序。低端的分切机机械精度低，张力控制简单，不可适应超薄膜质料的分切。随着用户关于分切效率和分切质量要求的提高，高端的分切机逐渐具备海浪边分切功效，并且拥有较好的张力控制技术，优化分切速度和分切质量。极片分切工艺的主要技术难点在于处理毛刺、海浪边和掉粉。毛刺，特别是金属毛刺对锂电池的危害巨大，尺寸较大的金属毛刺直接刺穿隔膜，导致正负极之间短路。而极片分切工艺是锂离子电池制造工艺中毛刺爆发的主要历程。通常要求毛刺在12微米以下，泛起海浪边时，极片分切和卷绕时会泛起边沿纠偏颤抖，从而降低工艺精度，另外对电池最终的厚度和形貌也会泛起不良影响。极片泛起掉粉会影响电池性能，正极掉粉时，电池容量减小，而负极掉粉时泛起负极无法包裹住正极的情形，容易造成析锂。

中段

中段工序主要是完成电芯的制备，包括卷绕、入壳、底焊、辊槽、烘烤、注液、焊接、封口、清洗、套膜。

极耳点焊机

极耳点焊机

卷绕机

卷绕机

短路测试仪

短路测试仪

点底点焊机

点底点焊机

滚槽机

滚槽机

注液机

注液机

封口机

封口机

测试仪

测试仪

卷绕

是由条状正负极极片和隔膜通过卷绕机卷成圆柱形卷芯，这一工序管控要点在于负极极片必须完全包覆正极极片，而隔膜必须完全包覆负极极片，对工艺精度的要求很是高。

入壳、底焊、辊槽

卷芯完成后需放入钢壳并通过底焊使得负极耳与钢壳连接，这时整个钢壳就是电池的负极，再通过辊槽牢固钢壳内的卷芯。

烘烤

将已入壳的卷芯置于烘烤箱中烘烤，直至卷芯的水分含量抵达标准后才华转入下一工序。

注液

通过注液机将电解液注入烘烤后水分要求及格的卷芯。注液完成后，锂电池的四大主材均被应用到电芯之中。

盖帽焊接

将盖板与正极耳焊接在一起，这时整个盖板就是电池的正极，焊接的管控点在于避免虚焊、偏焊及盖帽外观不良。

封口

将钢壳与盖板密封，使壳体内的电芯体处于完全密封的状态，与外界情况隔离，制止物质交换。

清洗

清洗工序的目的是清除电池钢壳外貌残留的电解液，避免电解液腐化钢壳。

套膜

套膜工序是包管电芯正负极端离开，避免外部电路爆发短路，同时使电池有一定的美观度。

卷绕机
张力控制是影响卷绕机先进水平的焦点技术。在整个卷绕历程中，为了包管电芯组装成的电池具有高一致性，需要尤其注意卷绕的张力控制。张力波动导致的松紧差别会使得卷绕出的电芯爆发不均匀的拉伸形变，使电芯质料分层或泛起S型皱褶，严重影响产品的一致性，隔膜、极片外貌不平整起的褶皱会增大电池内阻。卷绕张力控制是一个高速的动态平衡历程，卷绕机在电气和软件控制方面要求很高，要求伺服控制系统快速反应，软件的编程也需要独到的经验水平。关于方形锂电池的卷绕，需要坚持卷绕的线速度稳定，角速度需要自动调解，因此方形锂电池卷绕的张力控制对技术要求更高。目今海内领先企业能做到圆柱电池张力波动控制在5%以下，方形电池张力波动控制在10%以下。卷绕机的自动纠偏技术和卷绕速度也比较要害。纠偏系统能包管电池卷绕历程中极片隔膜卷绕整齐，正极/负极/隔膜之间相对位置准确，目前行业通常要求卷后正负极片或隔膜的上下偏差均小于0.5mm，凌驾这一数值将对电池形变爆发影响。

后段

完成中段工序意味着一颗外形完整的电芯制造已经结束。之后就是后段工序，此工序主要目的是将电芯激活，经过检测、分选、组装，形成锂离子电池制品。主要包括活化、化成、陈化、分选、分容。

活化
电芯套膜之后在恒温情况弃捐一段时间，使电解液充分浸润极片和隔膜，避免因电解液浸润不均匀而导致析锂。

化成
通过第一次充电，使得电芯激活，此历程中负极外貌会形成一层稳定的固体电解质相界面（SEI）膜。电池在化成后，才华体现真实的电性能；没有经过化成的电池，无法进行正常充放电。

老化
将化成后某一荷电状态的电芯在一定温度情况下弃捐一段时间，并测试弃捐前后电池的电压，凭据电压下降情况筛选、分类，排除外界因素的影响，剔除压降大或压降异常的电芯。

分选
凭据电芯交流内阻巨细分选出差别内阻档位电芯，剔除内阻异常电芯。

分容
分容即剖析容量。电池在制造历程中，因工艺原因使电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电检测，将电池按容量分类的历程称为分容。

经过上述3大工段，21道工序，新的锂离子电池产品被制备出来。在整个历程中，锂离子电池的生产既要严格把控好各工序的质量控制点、优化制作流程，还要严格控制生产情况的温度、湿度和洁净度等等。锂离子电池的生产是一个相当庞大且精细的工艺流程，细节决定成败，只有精雕细琢、百炼千锤才华做出优良的电池产品。

化身分容

化身分容及检测系统是后段工序中最要害的环节。锂电池电芯的化身分容是通过充放电的方法实现电池的初使化，使电芯的活性物质激活，是一个能量转换的历程。锂电芯的化身分容原理比较庞大，但同时也是影响电池性能很重要的一道工序，因为在Li+第一次充电时，Li+第一次插入到石墨中，会在电池内爆发电化学反应，在电池首次充电历程中不可制止地要在碳负极与电解液的相界面上、形成笼罩在碳电极外貌的钝化膜或SEI膜固体电解质界面(膜)）。SEI膜的性能直接决定了电池的倍率、自放电等性能。

为了抵达使电池状态稳定，通�；矸秩堇讨谢峤卸啻蔚某浞诺纭�60℃以下的恒温静置等。锂电池化身分容系统可以对单体锂电池进行恒流充电，当电压抵达锂电池的充电上限电压时，转为恒压充电，直至充电电流逐渐降为0。然后再对电池进行恒流放电，直至电池电压抵达放电截止电压。
化成和分容原理上略有区别，但均可用充放电机完成�；芍皇浅涞绲睦�，不需要对电芯进行放电，所以化成的时候，可以使用单独的充电机，因而充电机也经常被称为化成机，又因为充电机的外表往往是朴直的柜子形态，充电机又被称为化成柜。虽然化成不需要放电，但有些电芯的化成工艺需要进行一次以上的充电，紧接着化成之后的分容工序，需要对电芯先充电再放电，化成充电之后，还必须对电芯进行放电，这种工艺上的需要也导致许多电池生产厂家，直接使用带有充电和放电功效的充放电机来进行化成。

分容的意义在于筛选出及格电池并进行分组。由于电池制造历程中的工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定规范进行“充满电-放完电”循环，循环时间乘以放电电流就是电池的容量。只要测试获得的容量满足或大于设计容量，电池就是及格的。

通过对差别容量的电池进行分类，可以优化电池组的一致性。锂电池的化身分容历程中，对充放电电压和电流的要求很是严格，电压的高精度控制可以制止电池过充过放情况的泛起。在分容历程中，需要使用到的主要设备是锂电池充放电机。具有“能量回馈”技术的充放电机可以较好解决分容充放电�？榈纳⑷任侍�，相比古板化身分容系统节电60%-80%。

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