【中国汽车智能制造百人会】锂电池-工艺-锂电池工艺经验总结

shizheng_123 发表于 2024-8-10 17:41:32

<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/82P2BYdVLJCOMdQdVAadP2iaeGtsTNyrw91OdNgwHqV1QsetaLjeFNKYfqknna0hunWFddz3oZHZfbRn1jCPKow/640?wx_fmt=png&from=appmsg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"></h1>
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随着技术不断发展，电池的各种全新制造工艺和技术层出不穷，今天我们就来看一看，锂电池的详细制作工艺。
首先，锂电池制作可分为正极配料、负极配料、涂布、正极制片、负极制片、正极片制备、负极片制备、卷绕、入壳、滚槽、电芯烘烤、注液、超焊盖帽共13大步骤。
01
正极配料
锂电池的正极材料由活性物、导电剂、粘结剂组成，其具体制作流程如下：
来料确认&烘烤
一般导电剂需大约120℃烘烤8小时，粘结剂PVDF则需约80℃烘烤8小时，活性物（LFP、NCM等），视来料状态和工艺而定是否需要烘烤干燥。当前车间要求温度≤40℃、湿度≤25%RH。
配置PVDF胶液
如果采用湿法工艺，则需要提前配好PVDF胶液（溶质PVDF，溶液NMP）。
PVDF胶液好坏对电池的内阻、电性能影响至关重要。
影响打胶的因素有温度、搅拌速度。温度越高，胶液配出容易泛黄，影响粘结性；搅拌的速度太高，容易将胶液打坏，具体的转速需要看分散盘的大小而定，一般情况下分散盘线速度在10-15m/s（对设备依赖性较高）。此时要求搅拌罐需要开启循环水，温度≤30℃。
正极浆料
此时需要注意加料的顺序（先加活性物和导电剂慢搅混合、再加入胶液）、加料时间、加料比例，要严格按工艺执行。
其次需要严格控制设备公转和自转速度（一般分散线速度要在17m/s以上具体要看设备性能，不同厂家差别很大）、搅拌的真空度、温度。
在此阶段需要定期检测浆料的粒度和粘度，而粒度和粘度跟固含量、材料性能、加料顺序和制程工艺关系紧密。此时常规工艺要求温度≤30℃、湿度≤25%RH、真空度≤-0.085MPa。
浆料配完后就要将浆料转出至中转罐或涂布车间，浆料转出时需要对其过筛，目的就是过滤大颗粒物、沉淀和去除铁磁性等物质。
大颗粒影响涂布到最后可能导致电池自放过大或短路的风险；浆料铁磁性物质过高会导致电池自放电过大等不良。此时的工艺要求是温度≤40℃，湿度≤25%RH，筛网≤100目，粒度≤15um（参数仅供参考）。
02
负极配料
负极和正极相似，除了活性物、导电剂、粘接剂以外，还需要分散剂。
来料确认
常规负极体系为水系混料过程（溶剂为去离子水），因此来料无需干燥要求。此过程要求去离子水导电率在≤1us/cm。
车间要求温度≤40℃、湿度≤25%RH。

具体的工艺示意图如下：<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXxjnluribH6PnXKzRRbt7DGHSOTQu4ggDJUwDVpkc3tcCh6TcGtLcm0A/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
负极配料流程图
制备胶液
料确认完成后，首先制备胶液。此时石墨C和导电剂倒入搅拌机进行干混，建议不抽真空，开启循环水（干混时颗粒挤压摩擦产热严重），低速15-20rpm，间隔15分钟刮料循环2-3次。
接下来将胶液倒入搅拌机中开启抽真空（≤-0.09mpa），低速15-20rpm刮料循环2次，再调整转速（低速35rpm，高速1200-1500rpm），运行15-60分钟（具体依各厂家的自身的湿法工艺而定）。
最后将SBR倒入搅拌机中，建议此时快速低时搅拌（SBR属于长链高分子物，速度过高时间过长分子链易打断失去活性），建议低速35-40rpm，高速1200-1800rpm，10-20分钟。 
粘度测量
参考数值如下：粘度2000-4000m Pa.s、粒度≤35μm、固含量40-70%，抽真空过筛≤100目。
具体的工艺值需要根据材料物性、混料工艺等影响有一定差异。车间要求温度≤30℃、湿度≤25%RH。
03
涂布
正极涂布
将正极浆料挤压涂或喷涂在铝集流体AB面上，单面密度20-40 mg/cm2（NCM功率型），涂布烤箱温度常规4-8节或更多，每节烘烤温度95-120℃，按实际需要调整，避免烘烤开裂出现横向裂纹和滴溶剂现象。
转移涂布辊速比1.1-1.2，间隙位打薄20-30um（避免拖尾导致在极耳位压实过大，电池循环过程析锂），涂布水份≤2000-3000ppm（具体要根据材料和工艺而定）。车间正极温度≤30℃，湿度≤25%。
负极涂布
将负极浆料挤压涂或喷涂在铜集流体AB面上，单面密度约10-15mg/cm2，涂布烤箱温度常规4-8节或更多，每节烘烤温度80-105℃，按实际需要调整，避免烘烤开裂出现横向裂纹。
转移辊速比1.2-1.3，间隙位打薄10-15um，涂布水份≤3000ppm，车间负极温度≤30℃，湿度≤25%。
04
正极制片
正极涂布干燥完，需要在工艺时间内进行对辊。对辊即对极片进行压实，目前有热压和冷压两种工艺。
热压压实相对冷压高，反弹率较低；冷压工艺相对简单易操作控制。
对辊主要设备到如下工艺值：压实密度、反弹率、延伸率。同时要注意极片表面无脆片、硬块、掉料、波浪边等现象且间隙处不允许断裂。此时车间环境温度≤23℃、湿度≤25%。
压实：单位体积敷料的质量，目前常规物料的真密度数据：
常规物质真密度表
物质
真密度数值（g/cm³）
LFP
3.6
LCO
5.1
LMO
4.3
PVDF
1.5
铝箔
2.7
反弹率：一般反弹2-3μm；
延伸率：正极极片一般在1.002左右。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXRepHLiahGMDsHcqptJsVPHu04TUbPqzOan4OEWzyTsTGA6KbVIzDyfw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
极片对辊示意图
正极对辊完接下来就是分条，即将整片极片分裁剪宽度一样的小条（对应电池高度），分条要注意极片的毛刺，需要全检极片的X和Y向的毛刺（借助二次元设备），纵向毛刺长度工艺Y≤1/2 H隔膜厚度。车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXadwEziaTmOG7tQ7P2B2vUFNicswBowGZFOlIEDrUnlC9W4UEc0WlmQdg/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
分切示意图
05
负极制片
负极制片与正极同样操作，但工艺设计不同，车间环境温度≤23℃、湿度≤25%。常见负极物质的真密度：
常规物质真密度表
物质
真密度数值（g/cm³）
石墨
2.26
硬碳
0.8-0.9
软碳
1.5
CMC
0.6
SBR
0.9
铜箔
8.8-8.9
（单光与双光不同）
常用负极压实表
反弹率：一般在4-8μm左右；
延伸率：一般在1.0012左右。
负极分条与正极分条工艺类似，X和Y向毛刺都需要控制。车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃。
06
正极片制备
分条完毕后，需对正极片进行干燥处理（120℃），再就是焊接铝极耳和极耳包胶工艺。此时需要考虑极耳长度和整形宽度。
以某锂电池设计为例，设计极耳外露主要考虑到正极耳要焊接盖帽和滚槽时合理配合。
极耳外露过长，滚槽时易使极耳与钢壳短路；过短极耳无法焊接盖帽。极目前超声焊头有线状和点状，国内工艺较多采用线状（过流、焊强考虑）。
另采用高温胶将极耳包覆，主要考虑到金属毛刺和金属碎屑造成短路风险。此车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃、正极水份含量≤500-1000ppm。
参考工艺参数
极耳外露值
约20-25mm
极片整形高度
约80-85mm
焊接强度
约2-3kg
焊接面积
满足过流设计
包胶面积
高温胶盖住极耳4-5mm
某型正极耳焊接简易工艺<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXwydCoI5JGIHnHicHNCKjDfQiby9Ms6jWmNqnicIQRichpbXyr5ME4O8rSQ/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
极耳焊接示意图
07
负极片制备
需对负极片进行干燥处理（105-110℃），再就是焊接镍极耳和极耳包胶工艺。也需要考虑极耳长度和整形宽度。此车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃、负极水分含量≤500-1000ppm。
参考工艺参数
极耳外露值
约16-18mm
极片整形高度
约77mm
焊接强度
≥2kg
焊接面积
满足过流设计
某型负极耳焊接简易工艺
08
卷绕
卷绕就是将隔膜、正极片、负极片通过卷绕机成单个卷芯。原理是采用负极包住正极，再通过隔膜将正负极片隔离。
因为常规体系负极作为电池设计的控制电极，容量设计高于正极，使在化成充电时正极的Li+能在负极“空位“存放。卷绕需要特别关注卷绕张力和极片对齐度。
卷绕张力小，会影响内阻和入壳率；张力过大易造成短路或断片风险。对齐度指负极、正极和隔膜的相对位置，负极宽度59.5mm、正极58mm、隔膜61mm，三者居中对齐，避免短路风险。
卷绕张力一般在正张力0.08-0.15Mpa，负张力0.08-0.15Mpa；上隔膜张力0.08-0.15Mpa，下隔膜张力0.08-0.15Mpa，具体要依据设备和工艺调整。此车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃、水分含量≤500-1000ppm。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXgttvtTZvnACAvVLaRiaXQUichbu6w6Yia0xxlIQkKvVibibntKvIM0ek1ww/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
卷绕极片隔膜叠放顺序示意图<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXAFADbmR34KSSrQqVaRV8efUo4I4gcxvOs5L7vSAPbPfnXMpT1dppMw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
卷绕成卷芯示意图
09
入壳
卷芯入壳前需要进行Hi-Pot测试电压200-500V（测试是否存在高压短路），吸尘处理（入壳前进一步控制粉尘）。
这里需要强调锂电的三大控制点水分、毛刺、粉尘。
前面工序完成后，将下面垫垫入卷芯底部后弯折负极耳，使极耳面正对卷芯卷针孔，最后垂直插入钢壳或铝壳（以某型号为例，外直径约为18mm，高度约为71.5mm）。
当然卷芯的横截面积要小于钢壳内截面积，大约入壳率在97-98.5%，因为要考虑到极片反弹值和后期注液时下液程度。同入面垫工序，将上面垫也装配完成。此车间环境温度≤23℃、露点≤-40℃。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXicEXuacibhyxuLuG89R4bLjrD1at9DgTR4gV80ca9qib9OfW5GcMBIibPg/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
入壳示意图
10
滚槽
将焊针（一般是铜质或合金材质），插入卷芯中间孔。常用焊针规格在Φ2.5*1.6mm，达到负极极耳焊接强度≥12N为合格，过低容易虚焊，内阻偏大；过高容易将钢壳表面的镍层焊掉，导致焊点处生锈露液等隐患。
滚槽简单理解就是将卷芯固定在壳体内不晃动。此工序需特别注意横向挤压速度和纵向下压速度匹配，避免横向速度过大将壳体割破，纵向速度过快槽口镍层脱落或影响槽高进行影响封口。
需要检测槽深、扩口、槽高工艺值是否达标（通过实际和理论计算）。常见的滚刀规格有1.0、1.2、1.5mm。滚槽完成后需要再次对整体吸尘处理，避免金属碎屑，真空度≤-0.065Mpa，吸尘时间1-2s 。此车间环境温度≤23℃、露点≤-40℃。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DpeVq9ia7Ft9d43fHHfZwoCZKicWWRiaPtXvCuLSW2tPmy7e3rstzibrE8JT8s3ThqXwjw4pndOE4GJhjAwUKA7ricw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1&tp=webp" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">点底焊和滚槽示意图
11
电芯烘烤
圆柱电芯经过滚槽之后，接下就是非常重要的一步：烘烤。电芯在制作过程中，会带入一定的水分，如果不及时得把水分控制在标准之内，将会严重影响电池性能的发挥和安全性能。
一般采用自动真空烤箱进行烘烤，整齐放入待烘烤电芯，在烘箱里面摆好干燥剂，设置参数，加热升温至85℃（以磷酸铁锂电芯举例），需要经过几个真空干燥循环才能达到标准。
几种不同尺寸电芯烘烤标准：
不同尺寸电芯烘烤标准
型号
烘烤
温度
℃
烘烤
时长
h
正极片
含水量
PPM
负极片
含水量
PPM
14系列
85
60
≤1500
≤1500
18系列
85
72
≤1200
≤1200
22系列
85
72
≤500
≤500
注：设置温度85℃，实际温度85±3℃
12
注液
将烘烤好的电芯进行水分测试，符合前面的烘烤标准后，才能进行下一步：注入电解液。
将烘烤合格的电芯快速放入真空手套箱内，进行称重，记录重量，套上注液套杯，将设计好重量的电解液加入套杯中（一般会进行泡液实验：将电芯放入电解液中，浸泡一段时间，测试电芯最大吸液量，一般按实验量进行注液），放入真空箱中抽真空（真空度≤-0.09Mpa），加速电解液侵润极片。
进行几次循环后，取出电芯进行称重，计算注液量是不是符合设计值，少了需要进行补液，超了需要倒掉多余部分，直到符合设计要求。手套箱环境：温度≤23℃、露点≤-45℃。
13
超焊盖帽
提前将盖帽放入手套箱中，一手将盖帽紧扣在超焊机下模具，一手拿电芯，电芯正极耳与盖帽极耳对齐，确认正极耳与盖帽极耳对齐OK后，踩下超焊机脚踏板开关。
之后需要全检电芯：自检极耳焊接效果，首先是观察极耳是否对齐；其次是轻拉极耳，看极耳是否松开。超焊盖帽虚焊的电芯需要重新进行超焊。
— END —
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2.、文章来源：晓风数据锂航，转载需备注【智享新动力】
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【中国汽车智能制造百人会】锂电池-工艺-锂电池工艺经验总结