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新能源汽車鋰電池制造設(shè)備，你知道多少？

2021-12-25 瀏覽量：1370

(1) 鋰電池的生產(chǎn)過程分為前、中、后三個(gè)階段。

　　前道工序的目的是將原材料加工成極片，核心工序是涂裝;中間部分的目的是將極片加工成非活動(dòng)電池;后一個(gè)過程是測(cè)試和包裝，核心過程是成型和體積分離。鋰電池設(shè)備按電池生產(chǎn)制造工藝分為前段設(shè)備、中段設(shè)備和后段設(shè)備。前端設(shè)備的價(jià)值約占40%，其中涂布機(jī)的價(jià)值占75%，輥壓機(jī)的價(jià)值大于縱切機(jī)的價(jià)值。三元材料對(duì)前端設(shè)備的性能有更高的要求，前端設(shè)備的價(jià)值比例將逐漸增加。中段設(shè)備價(jià)值約占30%，其中卷繞機(jī)價(jià)值占70%。目前，卷繞機(jī)市場(chǎng)集中度較高，CR3達(dá)到60%-70%。卷繞機(jī)高端市場(chǎng)由韓國koem和日本CKD競(jìng)爭，國內(nèi)高端市場(chǎng)占50%。后段設(shè)備價(jià)值約占30%，其中化學(xué)成分和體積分離系統(tǒng)占70%，總成占30%。

(2) 正面：制作一個(gè)涂有正負(fù)活性物質(zhì)的極片

前者主要包括漿料混合、正負(fù)極涂覆、軋制、分切、電極片制作和模切。混合：首先，使用鋰電池真空混合器，在專用溶劑和粘合劑的作用下，將粉末狀的正負(fù)活性物質(zhì)混合。高速攪拌后，使?jié){液正負(fù)物質(zhì)無氣泡。涂布：將制備好的漿料均勻涂布在金屬箔表面，干燥后分別制成正負(fù)極片。軋制：輥壓機(jī)通過上下輥相反操作產(chǎn)生的壓力壓縮極片的涂層表面。極片承受高壓，極片從原來的蓬松狀態(tài)變?yōu)橹旅軤顟B(tài)。軋制對(duì)能量密度非常關(guān)鍵。分條：根據(jù)不同的電池型號(hào)，將卷好的電極條切割成電池組裝所需的長度和寬度。切割時(shí)要求無毛刺。

　2.涂布機(jī)涂布的主要目的是將穩(wěn)定性好、粘度好、流動(dòng)性好的漿料均勻地涂布在正負(fù)極表面。它對(duì)鋰電池的意義主要體現(xiàn)在一致性、循環(huán)壽命和安全性上。在涂裝過程中，如果極片前、中、后段正負(fù)極膏的涂裝厚度不一致，或極片前后參數(shù)不一致，容易造成電池容量過低或過高，在電池循環(huán)過程中可能會(huì)形成鋰離子，影響電池壽命。涂層過程應(yīng)嚴(yán)格保證電極內(nèi)無顆粒、雜物、灰塵等。如果混入雜物，會(huì)導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部微短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸。因此，為了使中間部分的纏繞過程盡可能均勻緊湊，要求正負(fù)極的涂覆誤差盡可能小。涂布機(jī)的進(jìn)步將直接影響電池的化學(xué)性能和最終產(chǎn)品的產(chǎn)量(電池制造商通常要求超過99%)。涂布機(jī)是前道工序的核心設(shè)備。涂布機(jī)經(jīng)歷了三種結(jié)構(gòu)類型的演變，其次是刮刀式、轉(zhuǎn)移式和狹縫擠壓涂布。刮刀式主要用于實(shí)驗(yàn)室條件下;轉(zhuǎn)移涂層主要用于3C電池的生產(chǎn);狹縫擠壓涂料主要用于動(dòng)力電池。近年來，由于動(dòng)力電池生產(chǎn)需求的爆炸性增長，這種類型的電池迅速增加。擠出涂布技術(shù)作為三大技術(shù)中更先進(jìn)的技術(shù)，可用于高粘度流體涂布，以獲得高精度的涂布。根據(jù)涂布機(jī)的結(jié)構(gòu)，涂布頭的設(shè)計(jì)對(duì)涂布精度有著非常重要的影響，這種高精度控制的核心部件仍需進(jìn)口。目前涂布機(jī)國產(chǎn)化率較高，達(dá)到70%-80%以上，但高端產(chǎn)品的涂布頭仍主要由國外提供。如龍頭新家沱的涂布頭主要由松下提供。涂布機(jī)設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步主要集中在四個(gè)方面：涂布技術(shù)、張力技術(shù)、糾偏技術(shù)和干燥技術(shù)。涂層技術(shù)需要滿足不同厚度的生產(chǎn)要求?，F(xiàn)在正極鋰鋁箔的厚度已經(jīng)薄到了6-8微米，負(fù)極鋰銅箔的厚度已經(jīng)薄到了4.5-6微米，隔膜涂層只有幾微米。石墨烯涂層甚至更薄。需要為不同厚度的客戶開發(fā)不同的涂層方法，確保漿料的涂層厚度精度控制在2微米以下。張力技術(shù)，由于卷筒紙沿涂布方向移動(dòng)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)張力不均，導(dǎo)致涂布質(zhì)量缺乏一致性。因此，有必要確保在切屑操作過程中每個(gè)部分都有良好的張力控制。糾偏技術(shù)，由于涂布設(shè)備大多長達(dá)數(shù)十米，在膠片路徑運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)位置偏差。為了保證銅膜、鋁膜和極薄膜片都能在薄膜路徑上平穩(wěn)有效地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精密鍍膜，需要選擇不同的驅(qū)動(dòng)形式和響應(yīng)控制系統(tǒng)來校正偏差。就干燥技術(shù)而言，涂料生產(chǎn)速度的瓶頸在于干燥。最直接的方法是延長波紋管，但會(huì)增加成本和占地。加固后還要加強(qiáng)糾偏和張力控制。為了進(jìn)一步提高干燥效率，需要改進(jìn)風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和布置形式的控制，在保證涂布速度的同時(shí)盡量縮短波紋管的長度。涂層效率是龍頭企業(yè)進(jìn)一步競(jìng)爭技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前，在保證上述技術(shù)的前提下，領(lǐng)先的涂布機(jī)設(shè)備主要致力于提高涂布效率。主要手段包括提高涂布機(jī)的運(yùn)行速度和涂布寬度。龍頭企業(yè)涂裝速度可達(dá)120m/min，涂裝寬度可達(dá)1400mm。

　　3、輥壓機(jī)軋制的意義在于使電密，提高電池的能量密度。在先前工藝中對(duì)電極片進(jìn)行涂覆和干燥后，活性材料和箔的剝離強(qiáng)度非常低。此時(shí)，有必要對(duì)其進(jìn)行滾壓，以增強(qiáng)活性材料與箔材之間的粘合強(qiáng)度，從而防止在電解液浸泡和電池使用過程中發(fā)生剝離。適當(dāng)?shù)膲簩?shí)密度可以增加電池的放電容量，降低內(nèi)阻，減少極化損耗，延長電池的循環(huán)壽命，提高鋰離子電池的利用率。桿件軋制一般采用雙輥壓機(jī)完成，雙輥壓機(jī)由兩臺(tái)鑄鋼壓路機(jī)、電機(jī)和傳動(dòng)軸組成。開啟碾壓模式后，電機(jī)帶動(dòng)上下壓路機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，卷繞機(jī)構(gòu)拉動(dòng)的極片平穩(wěn)通過碾壓間隙，最終壓至所需壓實(shí)密度。軋制過程對(duì)電池的性能有很大影響。軋制過程中有幾個(gè)典型問題：

　　桿件的厚度不一致。厚度不一致意味著生命物質(zhì)的密度不一致，鋰離子和電子在電極板中的傳輸和傳導(dǎo)速率將不同。當(dāng)電流密度不同時(shí)，容易導(dǎo)致鋰枝晶析出，對(duì)電池性能不利。此外，當(dāng)極片厚度不同時(shí)，活性材料與集電器之間的接觸電阻也不同。極片越厚，內(nèi)阻越大，電池極化越嚴(yán)重，影響電池容量。

　　過電壓發(fā)生在極片的某些位置。由于涂層過程中某些部位的厚度過厚，軋制后可能出現(xiàn)超壓。在過電壓位置，帶電材料顆粒破碎，帶電材料顆粒之間接觸緊密。電池在充放電過程中，電子導(dǎo)電性增強(qiáng)，但離子移動(dòng)通道減少或堵塞，不利于電池的容量。在放電過程中，極化增加，電壓降低，容量降低。同時(shí)，過電壓影響電解液的潤濕效果，對(duì)電池的性能有很大的影響。從工藝流程上看，軋制質(zhì)量也將直接影響后續(xù)極件的加工效果。極靴軋后的理想狀態(tài)是極片表面平整，光澤度一致，坯件沒有明顯的波動(dòng)，極片沒有較大翹曲度。但在實(shí)際生產(chǎn)中，操作熟練程度和設(shè)備操作不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些問題，影響后續(xù)工序的極片分切，導(dǎo)致分切極片寬度不一致，極片毛刺。軋制結(jié)果也會(huì)影響極片的繞組。極片纏繞過程中，嚴(yán)重翹曲會(huì)導(dǎo)致極片與膜片之間的間隙過大。熱壓后，多層隔板的某些部分會(huì)疊加成為應(yīng)力集中點(diǎn)，影響電池的性能。衡量輥壓機(jī)的技術(shù)進(jìn)步主要取決于表面密度和壓實(shí)密度。目前領(lǐng)先的設(shè)備可使磷酸鐵鋰正極材料的比容量達(dá)到200 MAH/g，磷酸鐵鋰正極材料的壓實(shí)密度達(dá)到1.5 g/cm3。

　　4.縱切機(jī)的功能是將軋制的極片切割到所需的寬度，這是卷繞前的關(guān)鍵工序。低端分切機(jī)機(jī)械精度低，張力控制簡單，不能適應(yīng)超薄薄膜材料的分切。隨著用戶對(duì)分切效率和分切質(zhì)量要求的提高，高端分切機(jī)逐漸具備波邊分切的功能，并有更好的張力控制技術(shù)來優(yōu)化分切速度和質(zhì)量。根據(jù)浩能的采訪書，國內(nèi)高端分切速度已達(dá)到70m/s。極片分切工藝的主要技術(shù)難點(diǎn)是毛刺、波狀邊緣和落粉的處理。毛刺，尤其是金屬毛刺，對(duì)鋰電池的危害很大。大的金屬毛刺直接刺穿膜片，導(dǎo)致正負(fù)電極之間短路。在鋰離子電池制造過程中，電極切割是產(chǎn)生毛刺的主要工序。通常，要求毛刺小于12微米。如下圖所示，工藝缺陷形成的集液器毛刺尺寸達(dá)到100微米。波狀邊緣和落粉：下圖顯示了極片分切過程中落料和波狀邊緣的缺陷。如果邊緣呈波浪形，則在切桿和卷繞過程中會(huì)出現(xiàn)邊緣校正抖動(dòng)，這將降低加工精度。此外，它還將對(duì)電池的最終厚度和形態(tài)產(chǎn)生不利影響。極片上落下的粉末會(huì)影響電池的性能。當(dāng)粉末從正極掉落時(shí)，電池容量會(huì)降低，而當(dāng)粉末從負(fù)極掉落時(shí)，負(fù)極無法包裹正極，容易導(dǎo)致鋰沉淀。

　　(3) 中間部分：完成電池的纏繞和液體注入

　　1.該工藝的中間過程主要包括電芯的纏繞/層壓和電芯的液體注入。涉及的設(shè)備有卷繞機(jī)、層壓機(jī)和液體注射機(jī)。用卷繞機(jī)卷繞電芯時(shí)，根據(jù)下游廠家的需要，可進(jìn)一步分為圓柱形卷繞和方形卷繞。疊片機(jī)將正負(fù)料箱內(nèi)的極片拾取，二次定位后將正負(fù)片交替放在疊片臺(tái)上。振膜主動(dòng)展開，疊片臺(tái)驅(qū)動(dòng)振膜前后移動(dòng)，形成Z形疊片。層壓完成后，根據(jù)設(shè)定長度進(jìn)行切割，并自動(dòng)送出進(jìn)行手動(dòng)涂膠。電解液通過液體注入機(jī)注入纏繞或?qū)訅弘娦?。鋰電池中段設(shè)備比前一段更加強(qiáng)調(diào)個(gè)性化，對(duì)工藝精度、效率和一致性要求非常高。對(duì)于方形、圓柱形和軟包裝電池，中間設(shè)備將分別使用卷繞機(jī)或?qū)訅簷C(jī)。目前，纏繞機(jī)的應(yīng)用較為普遍，其突出優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)速度快、產(chǎn)品一致性高;層壓機(jī)工藝復(fù)雜，產(chǎn)量低，生產(chǎn)效率低，但其軟包裝電池尺寸更靈活，散熱設(shè)計(jì)合理，能量密度高，具有圓柱形和方形所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)企業(yè)大多采用中小型卷繞機(jī)，層壓機(jī)所占比例不高。

　　2.卷繞機(jī)張力控制是影響卷繞機(jī)先進(jìn)程度的核心技術(shù)。為了保證鐵芯組裝電池的高一致性，在整個(gè)纏繞過程中應(yīng)特別注意纏繞張力的控制。張力波動(dòng)引起的彈性差會(huì)使纏繞電池產(chǎn)生不均勻的拉伸變形，使電池材料分層或S形起皺，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的一致性，膜片和極片表面的不均勻起皺會(huì)增加電池的內(nèi)阻。卷繞張力控制是一個(gè)高速動(dòng)態(tài)平衡過程。卷繞機(jī)在電氣和軟件控制方面要求較高，要求伺服控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，在軟件編程方面具有獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)水平。方形鋰電池的繞組需要保持繞組線速度不變，角速度需要自動(dòng)調(diào)整。因此，方形鋰電池繞組的張力控制有較高的技術(shù)要求。目前，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)可以將圓柱形電池的張力波動(dòng)控制在5%以下，方形電池的張力波動(dòng)控制在10%以下。卷繞機(jī)的自動(dòng)糾偏技術(shù)和卷繞速度也是關(guān)鍵。糾偏系統(tǒng)能保證極片膜片纏繞整齊，正負(fù)極/膜片之間的相對(duì)位置準(zhǔn)確。目前，行業(yè)通常要求軋制正負(fù)極片或膜片的上下偏差小于0.5mm。超過此值將對(duì)蓄電池變形產(chǎn)生影響。目前，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)的圓柱形鐵芯可以達(dá)到18m/s以上的高速纏繞速度。方形鐵芯需要保證線速度恒定，因此變角速度繞組速度較慢，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)可達(dá)到0.8m/s以上。

　　3.層壓機(jī)用于生產(chǎn)軟包裝電池，其性能和安全性高于圓柱形和方形電池。疊片機(jī)是將正極、隔膜和負(fù)極依次疊成小電池單體，然后將小電池單體平行疊成大電池。層壓工藝生產(chǎn)的電池的優(yōu)點(diǎn)是：由于相當(dāng)于多個(gè)小極片并聯(lián)，內(nèi)阻低，放電平臺(tái)高;極片與電芯膜片間應(yīng)力趨于一致，無明顯應(yīng)力集中點(diǎn);內(nèi)部空間得到充分利用，體積比容量和能量密度較高;疊層工藝相當(dāng)于多極并聯(lián)，易于在短時(shí)間內(nèi)完成大電流放電，具有良好的倍率性能。層壓工藝的缺點(diǎn)是操作要求高、生產(chǎn)控制繁瑣、不良率高。更大的瓶頸是生產(chǎn)效率低。目前，國內(nèi)動(dòng)力電池層壓機(jī)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于韓國。國產(chǎn)設(shè)備多為雙工位，效率一般為0.5-0.8秒/臺(tái)，進(jìn)口覆膜機(jī)效率為0.17-0.2秒/臺(tái)。通過纏繞工藝生產(chǎn)的電池的電化學(xué)性能略差于層壓芯片，但其優(yōu)勢(shì)在于自動(dòng)化程度高、易于制造且適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，市場(chǎng)上的方形電池，尤其是圓柱形電池，一般都是采用纏繞工藝生產(chǎn)的。

　　(4) 后部：化學(xué)分餾和試驗(yàn)分揀設(shè)備

　　1.后處理主要包括包裝、成型和體積分離、測(cè)試和分揀、模塊組裝、包裝等。封裝是將電池放入金屬或軟殼中。形成是通過充放電激活電池中的正負(fù)材料，從而對(duì)電池進(jìn)行充電和激活。在形成部分電容后，對(duì)電池進(jìn)行充電和放電，檢測(cè)電池的各種參數(shù)，并根據(jù)測(cè)量的參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行匹配。模塊組裝和電池組包括電池模塊在線檢測(cè)、電池組組裝、電池組離線檢測(cè)等，經(jīng)過此工藝后，電池基本滿足工廠要求。