新能源鋰離子動力電池內部結構簡述

張貴萍 宋佑 何亞雄 劉永樂 黃子欣 張曉泉 吳際良 黃新華 余克清

隨著中國版的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略規(guī)劃《中國制造2025》的公布，中國拉開了實施國家制造強國戰(zhàn)略的序幕?！肮I(yè)4.0”的核心是智能化制造，而“工業(yè)3.0”的核心是自動化制造。對于歐美企業(yè)來說，它們基本上已經完成了“工業(yè)3.0”，而對于大部分中國企業(yè)來講，目前還處在“工業(yè)2.5”階段，也就是半手工半自動化的階段。從“工業(yè)3.0”到“工業(yè)4.0”，重點在于軟件以及管理；而“工業(yè)2.5”到“工業(yè)3.0”階段，重點是硬件。這就是為什么近期國內鋰電池企業(yè)自動化設備投資成為熱點的原因?！肮I(yè)4.0”戰(zhàn)略，要求實施制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacture Executive System，MES）的智能制造，筆者研究開發(fā)的鋰離子動力電池的新型“面結”結構特別有利于“工業(yè)4.0”的核心智能化制造，在實聯長宜集團的動力鋰電池生產線成功實施了MES智能制造管理。

一、鋰離子電池及內部結構

化學電池是將化學能直接轉變?yōu)殡娔艿难b置。化學電池主要包括作為密封材料的殼體、殼體內的電解質溶液、浸在電解質溶液中的正、負極片和隔板（膜）以及連接電極的導線或金屬連接片。正、負極片和它們之間的隔板（膜）卷繞在一起稱為電芯卷繞體，在可充電化學電池中，還進一步包括進行充電操作的電路板，而上述的電解質溶液和正、負極片等被總稱為電芯。鋰離子電池是化學電池的一種，鋰離子電池是以2種不同的能夠可逆地嵌入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物作為電池正極和負極的二次電化學體系裝置，充電時鋰離子從正極脫嵌，穿過電解質和隔膜，嵌入到負極中。放電時鋰離子從負極脫嵌，通過電解質和隔膜，嵌入到正極中，可由此循環(huán)反復。

目前，市場使用的鋰離子動力電池，其能量體積密度、產品產能等相關參數與其內部結構密切相關，而其內部結構與極片形狀、集流片、箔形體的結構有直接關系，現有極片、集流片、箔形體的結構主要可分為3種。

1.間隙涂布極片結構形狀

間隙涂布、極片敷料間隙處焊接條形極耳，其焊接處表面粗糙，需貼上膠帶，防止將隔膜或者極片刺穿。該箔形體制程的大致流程：制片，如圖1（a）所示→焊接條形極耳，如圖1（b）所示→焊接處包膠帶，如圖1（c）所示→疊片或者卷繞方式制成箔形體。該結構的極片在制程過程中的特點為：涂布速度慢；制片工序中操作復雜；制造出來的產品能量密度低。

2.多極耳極片結構形狀

連續(xù)涂布、將未涂敷處的箔材切條，其切條后的箔材稱為極耳，該結構可稱為多極耳結構。該箔形體制程的大致流程為：制片→切極耳，如圖2（a）所示→卷繞制成箔形體，圖2（b）。該結構在制程過程的特點為：其切條后的極耳易斷，容易造成焊接不牢，且焊接后容易拉斷；其極耳與集流片或者端蓋通過焊接的方式進行連接，該結構不耐振動；制造過程成本高。

3.全極耳極片的結構形狀

連續(xù)涂布、邊緣留未涂敷區(qū)的光箔結構稱為全極耳結構。大其致流程為：用卷狀的正極片，負極片以及卷狀的隔膜全自動卷繞獲得電芯卷繞體，通過超聲波整對光箔整形形成“面結”結構形式，再使用集流片激光穿透焊接。具體為：涂布制片，如圖3（a）所示→卷繞制成電芯卷繞體，如圖3（b）所示→將箔形體未涂敷區(qū)整形成“面結”結構，如圖3（c）所示。“面結”結構能夠使極耳位端面與集流片的激光焊焊接有效面積加大和焊接強度提高，由此獲得電池的低內阻。該結構在制程過程中的特點為：工藝簡單，便于操作，易于自動化生產與管理；產品一致性好；制程成本低。

筆者團隊提出的高頻振蕩（例如超聲波高頻振蕩）進行整形的作用及意義在于對端面光箔區(qū)的箔形體進行整形，并且形成“面結”結構，箔形體很薄且柔軟，在高頻振蕩容易打結形成“面結”，或稱“箔形結”。

二、錐形滾子對箔形體整形方法及其“面結”結構的大容量鋰離子

除了上述箔形體超聲波整形方法外，筆者團隊還研究開發(fā)出用多個錐形滾子整形的方法，如圖4所示。電芯卷繞體整形設備，包括：電芯固定夾具、對稱設置在電芯固定夾具兩側的 2個整形夾具、驅動2個整形夾具相向或反向運動的第一驅動機構、以及驅動兩個整形夾具正轉或反轉的第二驅動機構，所述整形夾具包括外殼、頂針和多個滾子，所述外殼呈大端開口、小端封閉的喇叭狀，外殼的開口朝向電芯固定夾具，所述頂針固定在外殼的小端面上且沿外殼的中心線向開口方向延伸，所述多個滾子以外殼的中心線為軸均勻分布在頂針的周側，滾子的一端轉動設置在外殼的側壁上，滾子的另一端依次設置有圓柱體和圓錐體，圓柱體的直徑大于圓錐體的底端直徑，圓柱體與圓錐體的連接處設有倒角，圓錐體的頂端朝向頂針。

對電芯卷繞體的極耳位端面的箔形體進行滾壓使極耳位端面的箔形體被壓縮成型，滾壓的同時在極耳位端面的周邊以及中心孔的孔壁施加壓力使極耳位端面的形狀保持不變。

整形設備的工作過程具體圖5所示。在觸摸屏設置電芯（即電芯卷繞體，以下同）總長度、電芯整形后所需工藝尺寸以及第一電機速度、第二電機旋轉速度等參數設置，手動將電芯放置在電芯固定夾具4上，點動啟動開關，第一電機啟動，通過絲桿帶動兩側的整形夾具5同步向電芯中心線靠攏，自動對中；然后第一電機停止運動，氣缸42帶動活動夾具40夾緊電芯，第二電機啟動，帶動兩端的整形夾具5旋轉，整形夾具5通過齒輪或者軸測傳動，其中一個正轉，另一個反轉，同時第一電機啟動使兩側的整形夾具5同步向電芯做緩慢進給。當整形夾具5的滾子52的圓錐體521接觸到電芯的極耳位端面的箔形體時，滾子52的圓錐體521與箔形體之間產生摩擦，摩擦促使?jié)L子52轉動，由于多個滾子52的圓錐體521的切線位于同一平面，使箔形體在壓縮成型時能保證平整，直至完成設置長度的電芯整形；其中頂針51的圓錐部510便于插入電芯中間孔30，防止對電芯造成損壞，其錐角為30°～80°，頂針51的圓柱部511插入電芯中間孔30，同滾子52的圓柱體520一起保證整形時箔材不會溢出。

與上文所述的高頻振蕩（例如超聲波）方式對鋰離子電池極耳位端面的箔形體進行整形的方法相比較，用錐形滾子夾具的整形方法及整形設備工藝簡單，制造及運行成本低。電芯卷繞體整形前后的效果對比見圖6-7所示。

從“面結”結構的大容量鋰離子電池的結構示意圖（圖8）可知“面結”結構的大容量鋰離子電池，包括電池殼體1、設置在電池殼體1內的具有“面結”結構的電芯卷繞體2、壓蓋電芯卷繞體2兩端的正極集流板3和負極集流板4、通過正極極耳5與正極集流板3相連的正極極柱6、通過負極極耳7與負極集流板4相連的負極極柱8、以及分設在電池兩極的正極端蓋9和負極端蓋10。正極極柱6與正極端蓋9之間采用可熔性聚偏氟乙烯PFA或聚醚醚酮（PEEK）塑料密封圈密封，聚偏氟乙烯PFA或PEEK塑料直接澆鑄在正極端蓋9上下面以及中間的孔壁上，因此上下密封圈實為一體，負極極柱8采用與正極極柱6同樣的方式密封，這樣電池殼體1為中性，電池殼體1不會與正極或負極導通。

筆者團隊所研究開發(fā)的大容量鋰離子電池生產方法，包括以下步驟：

①電芯卷繞體制備：正極制漿-正極極片連續(xù)涂布-正極極片輥壓-正極極片分切-負極制漿-負極極片連續(xù)涂布-負極極片輥壓-負極極片分切-正、負極極片和隔膜卷繞成為電芯卷繞體。

②電芯卷繞體的極耳位端面整形：對電芯卷繞體的極耳位端面的箔形體進行滾壓使極耳位端面的箔形體被壓縮成型，滾壓的同時在極耳位端面的周邊以及中心孔的孔壁施加壓力使極耳位端面的形狀保持不變。

③電池外殼裝配：集流板與整形后的極耳位端面的箔形體焊接，集流板的極耳與正或負極柱底部焊接-帶集流板的卷繞體入殼-電池殼體與端蓋激光焊接-真空干燥-注入電解液-化成與分容-打鋼珠封注液口。

筆者團隊研究開發(fā)的大容量鋰離子電池，包括電池殼體、設置在電池殼體內的電芯卷繞體、壓蓋電芯卷繞體兩端的集流板、通過極耳與集流板相連的極柱和電池兩極的端蓋。其中，極柱包括正極極柱和負極極柱，端蓋包括正極端蓋和負極端蓋，集流板包括正極集流板和負極集流板。

正極極柱的材質為鋁合金，負極極柱的材質為銅鍍鎳，所述正極集流板的材質為鋁合金，負極集流板的材質為銅鍍鎳，正極集流板和負極集流板設有供電解液流入的進液孔。正極集流板的正極極耳與正極端蓋的正極極柱通過激光或超聲焊接固定，所述正極極耳的材質為鋁合金；所述負極集流板的負極極耳與負極端蓋的負極極柱通過激光或超聲焊接固定，所述負極極耳的材質為銅鍍鎳或純鎳。電芯卷繞體正負極的極耳位端面的箔形體被分別整形后壓縮減小0.1～10mm，極耳位端面的箔形體相互纏結。

三、結語

筆者團隊研究開發(fā)的鋰離子動力電池的箔形體整形方法及其獲得的“面結”結構的大容量鋰離子電池，用卷狀的正極片、負極片以及卷狀的隔膜全自動卷繞獲得電芯卷繞體，通過超聲波整對光箔整形形成“面結”結構形式，再使用集流片激光穿透焊接，不僅工藝最簡單，而且電池一致性最好。此外，由于采用了全極耳結構以及獲得的“面結”結構，全極耳結構的箔形體本身具有良好導熱性，導熱效果好（即散熱好），電池具有低內阻發(fā)熱?。姵乇旧戆l(fā)熱與電池的電流和內阻的大小成正比）、并聯成組簡單高效等優(yōu)點，在純電動汽車2C的工作電流范圍內，電池本身發(fā)熱小，可以很好地解決行業(yè)所認為的大容量圓柱電池散熱困難的問題。

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