動力鋰電池化成檢測單元關(guān)鍵技術(shù)研究

蘇 贊，劉振國，王明睿，金武飛，郭 瑞

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，新能源動力鋰電池在國家政策影響下需求量大大增加。動力電池的品質(zhì)及性能可對整車質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，亦為新能源車中的核心部件；其生產(chǎn)過程中的檢測方式和自動化水平會對生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品一致性產(chǎn)生直接影響。在此背景下，主要電池廠商都在根據(jù)自身產(chǎn)品情況，全力改進(jìn)化成系統(tǒng)的效率，進(jìn)而對設(shè)備的自動化水平、穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率等提出了更高的要求。

動力鋰電池的化成工序，目的為對電池的綜合性能進(jìn)行改善和提高，方法為以特定的充放電過程及方式來將達(dá)到激活單體電池內(nèi)部的正負(fù)極物質(zhì)，同時(shí)也是單體電池制造完成后的首次充放電?；蛇^程中，在以碳為材料的負(fù)極位置與電解液接觸的界面上會形成一層鈍化薄層，將其命名為固體電解質(zhì)界面膜或者SEI膜。為了形成良好的SEI膜，需要與產(chǎn)品相匹配的充放電工藝及高效檢測技術(shù)，在此基礎(chǔ)上化成檢測單元應(yīng)運(yùn)而生。

動力鋰電池化成檢測單元關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制項(xiàng)目擬開發(fā)一套高可靠性、高集成度、高安全性的化成檢測單元，用以完成電測化成檢測工藝對電池料箱的定位、自動充放電、OCV自動監(jiān)測、安全智能監(jiān)測等功能的要求；解決目前市場化成檢測單元設(shè)備集成度低，操作性差、無法滿足企業(yè)生產(chǎn)的瓶頸問題。

1 鋰離子化成知識探究

1.1 動力鋰電池研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在蓄電池技術(shù)領(lǐng)域，鋰電池作為電動車的核心技術(shù)，具有重量輕、無污染、使用時(shí)間長、自我放電指數(shù)低、儲能大、功率大、適應(yīng)溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。目前全球絕大部分國家都在進(jìn)行鋰電池技術(shù)的深度研發(fā)，專家認(rèn)為鋰電池技術(shù)還需更深入的發(fā)展，如加速性能、充電時(shí)長、續(xù)航里程等關(guān)鍵性因素，還需在更復(fù)雜、多變的實(shí)際運(yùn)行狀況中檢驗(yàn)，來進(jìn)一步提高其可靠及穩(wěn)定度，進(jìn)一步深入生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制及管理，提高鋰電池化成設(shè)備的效率、精度、智能化、安全性等參數(shù)。

1.2 動力鋰電池化成技術(shù)探究

鋰電池的主要構(gòu)成部分：

1）正極：氧化物，氧化鈷鋰（鈷酸鋰LiCoO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）氧化鎳鋰（鎳酸鋰LiNiO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、等；

2）負(fù)極：石墨型化碳材料（碳素）；

3）導(dǎo)電劑：乙炔黑；

4）粘接劑：聚四氟乙烯；

5）電解質(zhì)：液態(tài)電解質(zhì)（碳酸酯）、固態(tài)電解質(zhì)（聚合物）料；

6）隔膜：聚烯微孔隔膜[1]。

動力鋰電池的充放電過程即電池內(nèi)的鋰離子以隔膜和電解液等物質(zhì)為介質(zhì)，在正負(fù)極之間的往復(fù)、嵌入和脫嵌的循環(huán)進(jìn)程。以LiCoO2為電池正極材料，充電過程中，Li+從LiCoO2中脫落，C3+被氧化為C4+，Li+通過介質(zhì)轉(zhuǎn)移到負(fù)極位置，同時(shí)形成鋰碳層間化合物L(fēng)ixC6并插入到石墨結(jié)構(gòu)中，當(dāng)放電過程時(shí)相反。其充放電原理為：此過程中，電池正極所脫離的鋰離子經(jīng)由電池內(nèi)部介質(zhì)的傳遞抵達(dá)負(fù)極區(qū)域，而主要由碳素材料形成的負(fù)極表面會有很多細(xì)微孔位，且成層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子抵達(dá)此層狀結(jié)構(gòu)區(qū)域后，附著于此區(qū)域表面并嵌入，鋰離子附著的越多，則此過程實(shí)現(xiàn)的充電容量越高；在電池的放電流程過程中，負(fù)極碳素表面嵌入的鋰離子逐漸脫離負(fù)極，通過電池介質(zhì)的傳遞反向回到正極位置，逐漸返回的鋰離子越多，則此過程中的放電量就越高。鋰電池的充電電流選擇也需全面考慮，雖然充電速度會隨充電電流的增加而提高，但也會對鋰電池的性能產(chǎn)生影響且會有較嚴(yán)重的發(fā)熱情況伴隨而來。所以根據(jù)電池性能及以往數(shù)據(jù)支撐，0.2C～1C之間是多數(shù)鋰電池充電電流選擇值[3]。

動力鋰電池即電池成型后的首次充放電循環(huán)將其電池性能激活。鋰電池的化成工序過程十分復(fù)雜，同時(shí)也會對電池質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響（如圖1所示），充放電工藝過程及檢測精度會對鋰電池的性能、穩(wěn)定性及壽命產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

圖1 電池生產(chǎn)工序

1.3 典型化成工藝分析

化成案例分析：4組電芯，每組12塊（完成注液工序后的同一批次的電芯），按照表1分別進(jìn)行化成實(shí)驗(yàn)。

表1 化成工藝

四組電池分別依照上述數(shù)據(jù)及流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終可得化成時(shí)間結(jié)果如表2所示。

表2 化成時(shí)間

通過對表2中的化成平均時(shí)間數(shù)據(jù)對比可初步得出結(jié)論，工藝2和工藝4可有效縮短生產(chǎn)所用時(shí)間。通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)做更進(jìn)一步對比。

化成工作完成，電池靜置7天，隨即在25℃環(huán)境下進(jìn)行30周的恒流充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)對電池的電容等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)完成后，分別檢測各組電芯平均衰減率得出數(shù)據(jù)：第一組：0.123%、第二組：0.075%、第三組：0.113%、第四組：0.068%?？梢姲凑展に?進(jìn)行化成工序的電池性能最佳。工藝流程中長時(shí)間的恒流充放電過程對化成設(shè)備的探針等設(shè)備提出相應(yīng)的要求[4]。

2 化成檢測單元設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 總方案擬定

化成檢測單元主體采用貨架型材搭建檢測單元，通用性好，成本低，如圖2所示。在貨架中嵌入料箱定位系統(tǒng)、檢測針床、煙霧感應(yīng)器、DTS（分布式測溫系統(tǒng)）、自動消防、自動冷卻等系統(tǒng)。其中，充放電電源及OCV檢測儀與檢測單元進(jìn)行物理隔離。

圖2 化成檢測單元效果圖

電芯料箱進(jìn)入化成檢測單元后，首先精確定位裝置會將料箱固定并抬升；定位完畢后針床探針與電芯電極充分接觸，隨即根據(jù)化成工藝進(jìn)行充放電循環(huán)，在此過程中OCV檢測設(shè)備、煙霧感應(yīng)系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，任何數(shù)據(jù)異常后會觸發(fā)消防系統(tǒng)，將危險(xiǎn)預(yù)警提前到萌芽階段；最后通過上位機(jī)工作站將過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳車間MES系統(tǒng)，可進(jìn)行后期數(shù)據(jù)追溯。

2.2 升降氣缸的設(shè)計(jì)

在化成檢測單元中，電池在料框中通過升降氣缸來傳送到探針位置且需精確定位，所以對升降氣缸的傳動能力及定位能力要求較高。

升降氣缸的運(yùn)動參數(shù)：升降行程35mm；升降速度5mm/s；

所要客服的重力：

氣缸的直徑：本氣缸主要作用為承擔(dān)升降機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動，活塞桿的工作阻力以及升降板的自身重力都是氣缸工作過程中需克服的阻力，其公式為：

式中：F1為活塞桿推力；Ft為升降板自身重力；Fz為氣缸工作總阻力；P為氣缸工作壓力。在設(shè)計(jì)過程中，負(fù)載率β對工作的影響必須被考慮到，表現(xiàn)為：

由上述分析可得出氣缸缸體直徑為：

帶入相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)可得出：

查看相關(guān)手冊最終選擇D=63mm。

現(xiàn)設(shè)計(jì)氣缸的運(yùn)行行程為I=40mm，取氣缸內(nèi)徑D1=63mm，常態(tài)壓強(qiáng)值P=1MPa，則驅(qū)動力：

所載載荷質(zhì)量為120KG，則重力：G=mg=1200N。

設(shè)計(jì)加速度為a=1m/s2，則慣性力為：G1=ma=120N。

活塞本身或者與其他部件接觸碰撞產(chǎn)生的摩擦力也需考慮，摩擦系數(shù)值現(xiàn)取為k=0.1，則Gm=k×G1=12N。

總受力Gq=G+G1+Gm=1332N，可得Gq＜G0，則所設(shè)計(jì)尺寸滿足實(shí)際使用需求。

2.3 檢測探針的選型

在上述化成工藝探究中得出了工藝流程中會存在長時(shí)間的恒流充放電過程；而且料箱中各電池電極的平整度一致性可能會較差，無法保證檢測針床與各電極的可靠接觸，進(jìn)而影響檢測精度，同時(shí)帶來發(fā)熱高溫風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)火災(zāi)。這些都對測試用探針提出了很高的性能要求[6]。

所以需使用一種多觸頭鋸齒狀檢測探針，接觸阻抗小，保證長時(shí)間檢測情況下能夠順利完成任務(wù)。選擇鈹銅鍍金材質(zhì)，大電流溫升小于10℃，保證通過電流的精度及電壓采樣的準(zhǔn)確性。這樣可使各探針尖端與電極充分接觸，進(jìn)而減小接觸電阻，減少能源損耗并增加可靠性；同時(shí)，將檢測探針設(shè)計(jì)成彈性結(jié)構(gòu)，在料箱各電池平整度不一致的情況下，仍可使針床各探針與電極充分接觸，進(jìn)一步提高可靠性。如圖3所示。

圖3 探針示意圖

2.4 消防系統(tǒng)的集成

在化成檢測工藝過程中，還是存在相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。在鋰電池進(jìn)行充電流程時(shí)，電池內(nèi)的鋰離子（Li+）會被充電器的電流推力從正極位置通過電解液等介質(zhì)推到負(fù)極位置，在負(fù)極位置存儲起來行程電化學(xué)能，如果無法再次從正極推動鋰離子到達(dá)負(fù)極，則證明充電過程已完成。鋰電池進(jìn)行放電作業(yè)時(shí)，通過推動力到達(dá)負(fù)極的鋰離子反向回到正極，隨之而來的是終端電壓的下降，此即為鋰電池的放電過程。負(fù)極位置的鋰離子向正極位置運(yùn)動完成時(shí)，電池的放電過程也已經(jīng)完成，此時(shí)需要再次進(jìn)行充電操作。但是鋰電池的內(nèi)部構(gòu)成物質(zhì)都是易燃性的，如操作不合適則極易發(fā)生燃燒爆炸等危險(xiǎn)[7]。

可能會造成電池短路的幾個(gè)主要因素包括過度充電、超過極限溫度等，產(chǎn)生的危險(xiǎn)情況可分為三種：

1）漏液而導(dǎo)致電池溫度驟升，保護(hù)層被破壞，進(jìn)而使電解液發(fā)生泄漏；

2）電池短路發(fā)生自燃，產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃電解液，導(dǎo)致燃燒；

3）爆炸情況的發(fā)生，鋰電池內(nèi)部溫度驟升，而外殼的融化速度較慢，內(nèi)部空間無法容納高溫情況下膨脹的氣體，本身容器因壓力過大而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。

而且如果鋰電池發(fā)生火災(zāi)后是及難撲滅的，所以化成檢測單元設(shè)備需集成安全消防部分，隨時(shí)檢測溫度、煙霧、電流等異常，及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)的應(yīng)對策略。

分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS），覆蓋區(qū)域更廣，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、準(zhǔn)確定位、無盲區(qū)、通訊距離長等特點(diǎn)。通過光纖發(fā)拉曼（flaman）散射效應(yīng)進(jìn)行溫度的測量；使用光時(shí)域反射（otdr）技術(shù)完成定位，進(jìn)而進(jìn)行空間范圍內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

煙霧探測器防范火災(zāi)方式為對所監(jiān)測范圍內(nèi)的煙霧濃度進(jìn)行測量，內(nèi)部集成了高精度的離子式煙霧傳感器，可高穩(wěn)定行的進(jìn)行監(jiān)測工作，先進(jìn)性及可靠性促使其普及于各種消防監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。

所以檢測單元內(nèi)除了集成定位機(jī)構(gòu)、檢測針床等設(shè)備還需集成煙霧傳感器、DTS測溫系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)集成度高，布局難度大，且要求便于維護(hù)更換。集成后的化成檢測單元示意圖如圖4所示。

圖4 化成檢測單元示意圖

3 結(jié)語

本文首先介紹了鋰離子電池的充放電及工作原理，進(jìn)而深入探究典型的化成工藝流程，了解了化成的工藝要求并確定了對化成檢測設(shè)備的幾點(diǎn)重要要求。并通過定位氣缸的設(shè)計(jì)、檢測探針的選型和消防系統(tǒng)的集成來滿足化成檢測單元的高精度定位要求、充放電電流檢測穩(wěn)定性要求和安全性要求。最終確認(rèn)了化成檢測單元設(shè)備的重要組成部分。