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鋰電池生產工序介紹

文章來源:鋰電前沿 人氣:88 發表時間:2021-04-13 08:58:07
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、集流體和粘結劑、導電劑等,涉及的反應包括正負極的電化學反應、鋰離子傳導和電子傳導,以及熱量的擴散等。鋰電池的生產工藝流程較長,生產過程中涉...
此文關鍵字:聚合物鋰電池,鋰聚合物電池,3.85V高壓鋰電池

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、集流體和粘結劑、導電劑等,涉及的反應包括正負極的電化學反應、鋰離子傳導和電子傳導,以及熱量的擴散等。鋰電池的生產工藝流程較長,生產過程中涉及有 50 多道工序。


鋰電池按照形態可分為圓柱電池、方形電池和軟包電池等,其生產工藝有一定差異,但整體上可將鋰電制造流程劃分為前段工序(極片制造)、中段工序(電芯合成)、后段工序(化成封裝)。由于鋰離子電池的安全性能要求很高,因此在電池制造過程中對鋰電設備的精度、穩定性和自動化水平都有極高的要求。


鋰電設備是將正負極材料、隔膜材料、電解液等原料通過有序工藝,進行制造生產的工藝裝備,鋰電設備對鋰電池性能和成本有重大影響,是決定因素之一。按照不同工藝流程可將鋰電設備分為前段設備、中段設備、后段設備,在鋰電產線中,前段、中段、后段設備的價值占比約為4:3:3。


鋰電池制造流程機器設備

鋰電池制造流程機器設備


前段工序的生產目標是完成(正、負)極片的制造。前段工序主要流程有:攪拌、涂布、輥壓、分切、制片、模切,所涉及的設備主要包括:攪拌機、涂布機、輥壓機、分條機、制片機、模切機等。

漿料攪拌(所用設備:真空攪拌機)是將正、負極固態電池材料混合均勻后加入溶劑攪拌成漿狀。漿料攪拌是前段工序的始點,是完成后續涂布、輥壓等工藝的前序基礎。

攪拌流程圖

攪拌流程圖


涂布(所用設備:涂布機)是將攪拌后的漿料均勻涂覆在金屬箔片上并烘干制成正、負極片。作為前段工序的核心環節,涂布工序的執行質量深刻影響著成品電池的一致性、安全性、壽命周期,所以涂布機是前段工序中價值最高的設備。


轉移式涂布機原理

轉移式涂布機原理


擠壓式涂布機原理

擠壓式涂布機原理


輥壓(所用設備:輥壓機)是將涂布后的極片進一步壓實,從而提高電池的能量密度。輥壓后極片的平整程度會直接影響后序分切工藝加工效果,而極片活性物質的均勻程度也會間接影響電芯性能。


輥壓機原理

輥壓機原理


分切(所用設備:分條機)是將較寬的整卷極片連續縱切成若干所需寬度的窄片。極片在分切中遭遇剪切作用斷裂失效,分切后的邊緣平整程度(無毛刺、無屈曲)是考察分條機性能優劣的關鍵。


分條機原理

分條機原理


制片(所用設備:制片機)包括對分切后的極片焊接極耳、貼保護膠紙、極耳包膠或使用激光切割成型極耳等,從而用于后續的卷繞工藝。模切(所用設備:模切機)是將涂布后極片沖切成型,用于后續工藝。


模切機原理

模切機原理


中段工序的生產目標是完成電芯的制造,不同類型鋰電池的中段工序技術路線、產線設備存在差異。中段工序的本質是裝配工序,具體來說是將前段工序制成的(正、負)極片,與隔膜、電解質進行有序裝配。由于方形(卷狀)、圓柱(卷狀)與軟包(層狀)電池儲能結構不同,導致不同類別鋰電池在中段工序的技術路線、產線設備存在明顯差異。具體來說,方形、圓柱電池的中段工序主要流程有:卷繞、注液、封裝,所涉及的設備主要包括:卷繞機、注液機、封裝設備(入殼機、滾槽機、封口機、焊接機)等;軟包電池的中段工序主要流程有:疊片、注液、封裝,所涉及的設備主要包括:疊片機、注液機、封裝設備等。

卷繞(所用設備:卷繞機)是將制片工序或收卷式模切機制作的極片卷繞成鋰離子電池的電芯,主要用于方形、圓形鋰電池生產。卷繞機可細分為方形卷繞機、圓柱卷繞機兩類,分別用于方形、圓柱鋰電池的生產。相比圓柱卷繞,方形卷繞工藝對張力控制的要求更高,故方形卷繞機技術難度更大。


卷繞機原理

卷繞機原理


疊片(所用設備:疊片機)是將模切工序中制作的單體極片疊成鋰離子電池的電芯,主要用于軟包電池生產。相比方形、圓柱電芯,軟包電芯在能量密度、安全性、放電性能等方面具有明顯優勢。然而,疊片機完成單次堆疊任務,涉及多個子工序并行與復雜機構協同,提升疊片效率需應對復雜動力學控制問題;而卷繞機轉速與卷繞效率直接聯系,增效手段相對簡單。目前,疊片電芯的生產效率、良率與卷繞電芯有所差距。

注液機(所用設備:注液機)是將電池的電解液定量注入電芯中。


注液機原理

注液機原理


電芯封裝(所用設備:入殼機、滾槽機、封口機、焊接機)是將卷芯放入電芯外殼中。


入殼機原理

入殼機原理


滾槽機原理

滾槽機原理


封口機原理

封口機原理


焊接機原理

焊接機原理


后段工序的生產目標是完成化成封裝。截至中段工序,鋰電池的電芯功能結構已經形成,后段工序的意義在于將其激活,經過檢測、分選、組裝,形成使用安全、性能穩定的鋰電池成品。后段工序主要流程有:化成、分容、檢測、分選等,所涉及的設備主要包括:充放電機、檢測設備等。

化成(所用設備:充放電機)是通過第一次充電使電芯激活,在此過程中負極表面生成有效鈍化膜(SEI 膜),以實現鋰電池的“初始化”。分容(所用設備:充放電機)即“分析容量”,是將化成后的電芯按照設計標準進行充放電,以測量電芯的電容量。對電芯進行充放電貫穿化成、分容工藝過程,因此充放電機是最常用的后段核心設備。充放電機的最小工作單位是“通道”,一個“單元”(BOX)由若干“通道”組合而成,多個“單元”組合在一起,就構成了一臺充放電機。

檢測(所用設備:檢測設備)在充電、放電、靜置前后均要進行;分選是根據檢測結果對化成、分容后的電池按一定標準進行分類選擇。檢測、分選工序的意義不僅在于排除不合格品,由于鋰離子電池實際應用中,電芯常以并聯、串聯方式結合,所以選取性能接近的電芯,有助于使電池整體性能達到最優。

鋰電池的生產離不開鋰電池生產設備,除了電池本身所用材料之外,制造工藝和生產設備是決定電池性能的重要因素。早期,我國鋰電設備主要依賴進口,經過幾年的快速發展,中國鋰電設備企業在技術、效率、穩定性等多個方面都已經逐步趕超了日韓設備企業,并擁有性價比、售后維護等方面的優勢。目前國內鋰電設備企業集群已經形成,并成為中國高端裝備名片進入國際市場。隨著鋰電龍頭縱向結盟與出海擴產,鋰電設備受益下游擴產迎來快速增長的全新機遇期。


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