純電動(dòng)汽車用鋰離子電池的制造工藝與管控點(diǎn)

宋玉潔，史瑞祥,，謝鑫,，陶思成

(1.深圳渝鵬新能源汽車檢測(cè)研究有限公司，廣東深圳 518118；2.重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司，國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122)

0 引言

鋰離子電池商業(yè)化開(kāi)發(fā)以來(lái)，因其循環(huán)性能優(yōu)良、能量密度高、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、儲(chǔ)能、航空航天及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。目前，新能源汽車推廣主要以鋰離子電池應(yīng)用為主。特斯拉電動(dòng)汽車的橫空出世，以及我國(guó)一系列支持新能源汽車的政策出臺(tái)，徹底推動(dòng)了我國(guó)鋰離子電池行業(yè)發(fā)展。其中，由于特斯拉采用的鋰電池為松下生產(chǎn)的18650圓柱形鋰離子電池[1]，使得該類型鋰電池備受歡迎。18650是指電池的外形規(guī)格，其中：18 表示直徑為18 mm，65 表示長(zhǎng)度為65 mm，0表示圓柱形電池，是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池型號(hào)，其具有制造自動(dòng)化水平高、電池一致性好、單體能量密度高、散熱性好等優(yōu)點(diǎn)。本文作者以18650圓柱形鋰離子電池為例，揭示鋰電池制造工藝流程，分析各流程的管控要點(diǎn)及其對(duì)電池電性能的影響，為鋰離子電池應(yīng)用提供重要的參考。

1 鋰離子電池

1.1 鋰離子電池工作原理

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，依靠Li+在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。充電時(shí)Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。以鈷酸鋰為正極，石墨為負(fù)極的鋰電池為例，充電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)公式[2]如下：

正極：LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-

(1)

負(fù)極：6C+xLi++xe-=LixC6

(2)

總反應(yīng)：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

(3)

1.2 鋰離子電池結(jié)構(gòu)

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、膈膜和電解液四大主材組成。同時(shí)，一顆完整的18650圓柱形鋰離子電芯還包括正負(fù)極引線、上下絕緣片、蓋板及外鋼殼等輔材，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 18650圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)

2 鋰離子電池制造工藝與管控點(diǎn)

鋰離子電池的制造工藝復(fù)雜，工序眾多，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤都將影響鋰離子電芯的性能或帶來(lái)安全問(wèn)題，因此，只有嚴(yán)格管控每一道制造工序，才能制造出性能優(yōu)異和安全有保障的合格電芯。文中以18650圓柱形鋰離子電池為例，詳細(xì)介紹電池的制造工藝并說(shuō)明每一道制造工序的管控要點(diǎn)及其影響，并將20道制造工序分為制造前段、制造后段及篩選工藝3個(gè)階段，依次闡述，如圖2所示。

圖2 鋰離子電池制造工序

2.1 鋰離子電池制造前段工藝與管控點(diǎn)

電池制造前段工藝包括合漿、涂布、輥壓、分切、制片、卷繞、入殼、底焊、輥槽及烘烤10道工序，前段工序的核心是將粉末狀的正負(fù)極材料制作成一顆卷芯。合漿工序是指正極或負(fù)極粉末、導(dǎo)電劑及黏接劑按一定比例均勻混合成懸濁漿料，再將漿料通過(guò)涂布機(jī)在集流體表面涂覆一層厚度均勻的涂層，即涂布工序。涂布完成后，極片需通過(guò)輥壓機(jī)調(diào)整軋輥間隙、收放卷位置、張力等，并用試片試壓，確保試壓后的試片厚度符合工藝參數(shù)要求[3]。再用分切機(jī)分切成單顆電芯所需要的寬度，最后在制片機(jī)上焊接極耳并在極耳位置貼上絕緣膠包覆裸露的集流體和極耳，至此，正負(fù)極片的制作結(jié)束。合漿工序最主要的工藝管控點(diǎn)在于環(huán)境的濕度控制，因?yàn)樗质卿囯x子電池生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制的關(guān)鍵指標(biāo)，環(huán)境濕度較大、水性黏結(jié)劑的使用等因素都會(huì)導(dǎo)致極片制備過(guò)程中水分含量的增加[4]；分切工序需重點(diǎn)管控極片邊緣裁切毛刺大小，且不能出現(xiàn)明顯的掉料情況，否則極片因掉料或毛刺太大而刺穿隔膜，造成短路；制片工序應(yīng)防止極耳虛焊、偏焊、漏焊或極片掉料及絕緣膠偏貼或漏貼等；卷繞工序是圓柱形鋰電池成形的重要工藝，由條狀形正負(fù)極極片和隔膜通過(guò)卷繞機(jī)卷成圓柱形卷芯，這一工序管控要點(diǎn)在于負(fù)極極片必須完全包覆正極極片，而隔膜必須完全包覆負(fù)極極片，對(duì)工藝精度的要求非常高。如果負(fù)極未充分包覆正極，則充電過(guò)程中隔膜上有析鋰現(xiàn)象發(fā)生，隨著析鋰程度加重導(dǎo)致正負(fù)極接觸短路，由于鋰枝晶導(dǎo)致的內(nèi)短路事故是電池失效的重要形式，可能引起起火爆炸等事故[5]。如果隔膜未包覆負(fù)極，直接導(dǎo)致正負(fù)極接觸，電芯短路，造成嚴(yán)重安全事故。卷芯完成后需放入鋼殼并通過(guò)底焊使得負(fù)極耳與鋼殼連接，這時(shí)整個(gè)鋼殼就是電池的負(fù)極，再通過(guò)輥槽固定鋼殼內(nèi)的卷芯。入殼與輥槽工序不能破壞卷芯，輥槽高度需嚴(yán)格把控，過(guò)低時(shí)，卷芯被破壞；過(guò)高時(shí)，卷芯容易松動(dòng)。最后將已入殼的卷芯置于烘烤箱中烘烤，直至卷芯的水分含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才能轉(zhuǎn)入下一工序。烘烤是為了嚴(yán)控卷芯的水分含量，是至關(guān)重要的一步。

2.2 鋰離子電池制造后段工藝與管控點(diǎn)

電池制造后段工藝包括注液、焊接、封口、清洗及套膜。注液即通過(guò)注液機(jī)將電解液注入烘烤后水分要求合格的卷芯，注液完成后，鋰電池的四大主材均被應(yīng)用到電芯之中，注液工序關(guān)鍵在于精控注液量、控濕控溫及防水，且需達(dá)到電解液能夠較好地浸潤(rùn)滲透到正負(fù)極極片的效果。電解液量的多少直接關(guān)系著電池的安全性能和容量，如果注液量過(guò)多，電池內(nèi)部產(chǎn)氣量較大，圓柱形電池的安全閥往往會(huì)過(guò)早開(kāi)啟；如果注液量過(guò)少，電池容量會(huì)偏低而且析鋰，更容易產(chǎn)生熱失控甚至引起爆炸[6]。再將蓋板與正極耳焊接在一起，這時(shí)整個(gè)蓋板就是電池的正極，焊接的管控點(diǎn)在于防止虛焊、偏焊及蓋帽外觀不良。下一道工序就是封口，封口是將鋼殼與蓋板密封，將整個(gè)卷芯與外部環(huán)境隔離，整個(gè)卷芯就是一個(gè)密閉的電化學(xué)系統(tǒng)。封口工序是整個(gè)電芯制造最后一道至關(guān)重要的工序，其壓力成形技術(shù)的工藝穩(wěn)定性決定了電池的密封性是否完好、可靠[7]。完成封口工序意味著一顆外形完整的電芯制造已經(jīng)全部結(jié)束。清洗工序的目的是清除電池鋼殼表面殘留的電解液，防止電解液腐蝕鋼殼，而套膜工序是保證電芯正負(fù)極端分開(kāi)，防止外部電路發(fā)生短路，同時(shí)使電池有一定的美觀度，這兩道工序還需要對(duì)外觀不良電池進(jìn)行篩選。

2.3 鋰離子電池篩選工藝與管控點(diǎn)

由于電池原材料、生產(chǎn)工藝等差別，電池容量、電壓、內(nèi)阻等性能存在差異，使得電池組性能達(dá)不到單體電池水平，使用壽命遠(yuǎn)短于單體電池，影響電動(dòng)汽車的使用。電池篩選工藝包括活化、化成、陳化、分選及分容工序?；罨ば蚣措娦咎啄ぶ笤诤銣丨h(huán)境擱置一段時(shí)間，使電解液充分浸潤(rùn)極片和隔膜，防止因電解液浸潤(rùn)不均勻而導(dǎo)致析鋰，活化工序需管控?cái)R置環(huán)境溫度與擱置時(shí)間。化成工序是對(duì)鋰離子電池進(jìn)行第一次充電，這一步過(guò)程促使電極表面生成一層“固態(tài)電解質(zhì)界面膜”(SEI 膜)，是指鋰離子電池在首次充電過(guò)程中由于電解液被氧化還原分解并沉積在電極材料表面形成的界面膜，具有離子導(dǎo)通、電子絕緣特性，Li+可以經(jīng)過(guò)該膜自由地嵌入和脫出，因其固體電解質(zhì)的特征，因此被稱為“固體電解質(zhì)界面膜”。SEI 膜是鋰離子電池能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的保障條件，對(duì)其容量、倍率、循環(huán)、安全性能等都有至關(guān)重要的影響[8]。選擇合適的化成電流、化成電壓、化成溫度等，對(duì)優(yōu)化和提高電池性能有非常重要的作用[9]，故而這一工序十分重要，實(shí)際操作過(guò)程中需防止電池反接、過(guò)充及接觸不良等。陳化工序是將某一荷電狀態(tài)下的電芯在一定恒溫環(huán)境中擱置一段時(shí)間，通過(guò)測(cè)試前與測(cè)試后的電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，剔除壓降大或壓降異常的電芯。一般電芯內(nèi)部發(fā)生微短路或存在劇烈副反應(yīng)時(shí)，電芯壓降會(huì)較大，反映出電芯性能差會(huì)有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，壓降是電芯篩選的重要參考指標(biāo)之一。由于常溫老化用時(shí)較長(zhǎng)，為了縮短生產(chǎn)周期，絕大多數(shù)鋰離子電池廠家采取的是高溫或高荷電態(tài)老化方式，工藝管控要點(diǎn)需密切監(jiān)控?cái)R置過(guò)程中有無(wú)異常情況發(fā)生，并及時(shí)采取行動(dòng)確保安全，因?yàn)橐话愀邷乩匣渴莻€(gè)密閉空間，初始階段不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果不堪設(shè)想[10]。分選工序是根據(jù)電芯交流內(nèi)阻大小分選出不同內(nèi)阻檔位電芯，剔除內(nèi)阻異常電芯，易于選取合適的電芯串聯(lián)或并聯(lián)搭配，因此，內(nèi)阻也是電芯篩選的重要參考指標(biāo)之一。分容工序即測(cè)定電芯容量后按不同容量檔位篩選電芯，剔除容量不合格電芯，由于容量與溫度關(guān)系較大，分容時(shí)的環(huán)境溫度控制越精準(zhǔn)，容量越接近真實(shí)值，檔位分配更準(zhǔn)確，因此，溫度控制是分容的管控要點(diǎn)。出貨電芯必須是經(jīng)過(guò)壓降、內(nèi)阻及容量篩選且合格的電芯。

3 結(jié)束語(yǔ)

一輛純電動(dòng)汽車需由上千顆18650圓柱形鋰離子電池經(jīng)串并聯(lián)方式組裝而成，其中任一顆電芯出現(xiàn)問(wèn)題都有可能影響整體性能，造成“差之毫厘，謬以千里”的局面。因此，了解鋰離子電池制造工藝流程及其管控要點(diǎn)，對(duì)理解因電芯差異化帶來(lái)的影響及電芯實(shí)際應(yīng)用有重要的借鑒與參考意義。