動力電池生產(chǎn)流程，電池材料選擇

鋰電池在傳統(tǒng)領(lǐng)域主要應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品,在新能源長足發(fā)展的今天,普遍應(yīng)用于動力電池、儲能領(lǐng)域。

電池技術(shù)本身并不怎么高深莫測,基本原理就是氧化還原反應(yīng)。但能量載體們涉及到的具體化學過程千變?nèi)f化。具體到實際應(yīng)用中涉及到材料學、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、電子電路技術(shù)等交織在一起的諸多問題。

氧化還原反應(yīng)

鋰離子電池是一個復(fù)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。

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。

電池材料選擇

鋰電池原材料資源的開采、加工,主要有鋰資源、鈷資源和石墨。

能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性、循環(huán)壽命是動力鋰電池的5個關(guān)鍵指標,三元材料,錳酸鉀與磷酸鐵鋰任何一個在這5個方面都不具有絕對優(yōu)勢,導致動力鋰電池極材料路線的差異。

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NCM,這些材料更加適合應(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,石墨一直是鋰電池負極材料的不二選擇,事實上如果只考慮能量密度的話,金屬錫更適合作為負極材料。

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,為了將電極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,另一大類是水系粘結(jié)劑。

電池的四個部件非常關(guān)鍵:正極(放電為陰極),負極(放電為陽極),電解質(zhì),膈膜。正負極是發(fā)生化學反應(yīng)的地方,重要地位可以理解。但是電解質(zhì)有啥么用處?做功還很占重量。

電池內(nèi)部,金屬鋰在負極失去電子被氧化,成為鋰離子,通過電解質(zhì)向正極轉(zhuǎn)移;正極材料得到電子被還原,被正極過來的鋰離子中和。電解質(zhì)的理想作用,是運送且僅運送鋰離子。電池外部,電子從負極通過外界電路轉(zhuǎn)移到正極,中間進行做功。理想情況下,電解質(zhì)應(yīng)該是好的鋰離子的載體,但絕不能是好的電子載體。因此在沒有外界電路時,電子無法在電池內(nèi)部從負極轉(zhuǎn)移到正極;只有存在外界電路時,電子轉(zhuǎn)移才能進行。

單體電池的生產(chǎn)

第一步,單體電極的生產(chǎn)

混:將電極活性材料、粘結(jié)劑、溶劑等混合在一起,充分攪拌分散后,形成漿料。

涂:將制備的漿料以指定厚度均勻涂布到集流體(鋁箔或銅箔等)上。

烘:高溫烘烤干燥處理。

“混”和“烘”是有聯(lián)系的,“烘”是為了更好的將混合的漿料固定在鋁箔或銅箔上,而“烘”流程是一個高耗能環(huán)節(jié),如能改善該環(huán)節(jié),即可降低鋰電池的正負極生產(chǎn)成本。

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,然后有一些工藝會首先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粘結(jié)劑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,目前主要的勻漿工藝主要分為干法勻漿和濕法勻漿,目前隨著納米材料的逐漸普及,目前廠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。

第二步,單體電池的生產(chǎn)

在完成了上述的電極烘干過程后,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)。

壓:輥壓是對已涂好的正負極材料進行軋壓使其壓實更好的依附在鋁箔或銅箔上。

切:分切是對已軋壓好的極片按工藝標準分切成條。

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。

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)生缺陷,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,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焊在一起。

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。

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。

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。

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,以減少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(fù)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(fù)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。

實驗驗證電池組的不一致性

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)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(yù)警和阻斷裝置,以減少電池組熱失控造成的危害。