智能制造技術(shù)在動(dòng)力電池行業(yè)的應(yīng)用
——評(píng)《鋰離子電池智能制造》

吳 程

( 1. 江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 無(wú)錫 214433; 2. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院江陰中專辦學(xué)點(diǎn),江蘇 無(wú)錫 214433 )

動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的重要組成部分,影響著新能源汽車(chē)的推廣和使用。 崔少華著的《鋰離子電池智能制造》一書(shū),在智能制造的基礎(chǔ)上,聚焦新能源汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池的研究。 該書(shū)首先對(duì)鋰離子電池的研究意義及發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要介紹;然后闡述了鋰離子電池的工作原理,并對(duì)生產(chǎn)工藝流程及所需原材料進(jìn)行了概述;接著舉例說(shuō)明了鋰離子電池智能制造的流程及工藝步驟;最后,對(duì)鋰離子電池智能制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹,并闡明了實(shí)施鋰離子電池智能制造的重要意義。

1 鋰離子電池的研究意義及發(fā)展現(xiàn)狀

石油、煤炭等石化燃料給人們帶來(lái)了極大的便利,但同時(shí),燃料的消耗也增加了碳排放量,使環(huán)境污染問(wèn)題愈加嚴(yán)重,尤其在交通運(yùn)輸領(lǐng)域,燃油汽車(chē)的保有量逐年增加,石油消耗帶來(lái)的環(huán)境污染更是愈來(lái)愈烈。 需要大力推廣新能源汽車(chē),以減少交通領(lǐng)域的碳排放,實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的目的。 新能源汽車(chē)大多以鋰離子電池作為能量供給工具,近年來(lái),隨著技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步,鋰離子電池發(fā)展迅猛,市場(chǎng)容量不斷擴(kuò)大。 據(jù)估計(jì),到2022 年,我國(guó)在鋰離子電池方面的營(yíng)業(yè)收入將突破2 100 億元。 在國(guó)際上,三星、LG、松下等企業(yè)的起步較早;在國(guó)內(nèi),寧德時(shí)代、比亞迪、力神等企業(yè)在鋰離子電池的研發(fā)及市場(chǎng)占有率方面均處于領(lǐng)先地位。

2 鋰離子電池介紹

鋰離子電池是一種可充電電池,主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和外殼等構(gòu)成。 通常以鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等為正極活性物質(zhì),以石墨、納米碳纖維等為負(fù)極活性物質(zhì),以乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯等為電解質(zhì),以聚丙烯、聚乙烯微孔膜等為隔膜,以鋼或鋁制材料作為外殼。 此外,在鋰離子電池的生產(chǎn)、封裝過(guò)程中,還會(huì)用到銅箔、鋁箔、導(dǎo)電炭黑、連接片等輔助材料。 在正常工作過(guò)程中,鋰離子電池正、負(fù)極材料之間的電位差,會(huì)促使自由電子通過(guò)電解質(zhì),在正、負(fù)極之間游走,實(shí)現(xiàn)充放電。 鋰離子電池具有能量密度高、低溫性能好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),在新能源汽車(chē)、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

鋰離子電池的生產(chǎn)制造過(guò)程復(fù)雜,對(duì)原材料、設(shè)備及技術(shù)水平的要求非常高。 關(guān)鍵工序工藝包括以下幾點(diǎn):①制漿,將粉末狀的正、負(fù)極活性物質(zhì)和黏結(jié)劑等材料以一定比例混合,經(jīng)過(guò)混漿系統(tǒng)充分?jǐn)嚢韬?形成正、負(fù)極物質(zhì)漿料成品;②涂覆,在金屬箔材表面涂覆制作好的漿料,經(jīng)過(guò)壓片、烘干后形成正、負(fù)極片;③卷繞,將正極片、隔膜、負(fù)極片等按照順序卷繞,制作成電池極芯和極組;④裝配,把電池極組打包,并輔以墊片、扣蓋等,進(jìn)行焊接,完成電池的裝配;⑤后處理,對(duì)裝配好的電池進(jìn)行充放電測(cè)試,精挑出性能合格的產(chǎn)品。

3 鋰離子電池智能制造

在鋰離子電池的制造過(guò)程中,為了降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率、資源利用率和良品率,縮短生產(chǎn)周期,以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、測(cè)試和包裝運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)為需求依據(jù),結(jié)合我國(guó)的智能管理、先進(jìn)制造、智慧化生產(chǎn)和工業(yè)云平臺(tái)等先進(jìn)技術(shù),可建立鋰離子電池的智能化生產(chǎn)管理工廠,實(shí)現(xiàn)智能制造。 整個(gè)智能制造過(guò)程主要包括以下幾點(diǎn):①智能化生產(chǎn)管理工廠的總體設(shè)計(jì);②工藝的創(chuàng)新和生產(chǎn)設(shè)備的智能化集成;③以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)間數(shù)據(jù)的采集;④智能化的生產(chǎn)管理系統(tǒng);⑤生產(chǎn)流程的跟蹤監(jiān)測(cè)以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè);⑥建立可靠的物流調(diào)度系統(tǒng);⑦將人工智能、工業(yè)云平臺(tái)技術(shù)融入其中,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè),生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、故障診斷以及產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)和提升等。

該書(shū)以某大型公司S 主導(dǎo)的“21700 動(dòng)力鋰離子電池智能制造”項(xiàng)目為例,對(duì)鋰離子電池智能制造方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 該項(xiàng)目設(shè)備總投資約3.99 億元,選擇江蘇蘇州作為建設(shè)地點(diǎn),以充分發(fā)揮地域優(yōu)勢(shì),做好產(chǎn)品交付的售后服務(wù)工作。 該項(xiàng)目主要生產(chǎn)三元體系的圓柱形21700 鋰離子電池。 該電池根據(jù)納米技術(shù)設(shè)計(jì)而成,可以降低接觸內(nèi)阻,提升電池在低溫環(huán)境下的充放電性能;使用的核心原材料均由國(guó)內(nèi)企業(yè)提供,國(guó)產(chǎn)化率較高,成本大幅降低,充分調(diào)動(dòng)了企業(yè)的積極性,帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,有利于調(diào)整國(guó)內(nèi)圓柱形動(dòng)力電池的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。 該項(xiàng)目配備了先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)裝備,并且應(yīng)用了電極的“連續(xù)制漿”技術(shù)、寬幅涂覆技術(shù),大大提升了生產(chǎn)效率。 此外,該項(xiàng)目將制造企業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)系統(tǒng)相互融合,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化監(jiān)管,制造出性能穩(wěn)定的動(dòng)力鋰離子電池。 項(xiàng)目完成建設(shè)后,21700 圓柱形電池的年產(chǎn)能可達(dá)到22 億Wh。圓柱形21700 鋰離子電池正極采用三元材料,成本低、使用壽命長(zhǎng)、能量密度高,且電化學(xué)性能和溫度控制性能優(yōu)異。為了確保鋰離子電池具備較高的安全性能,S 公司制定了一些列措施,如將陶瓷技術(shù)應(yīng)用在電池負(fù)極或隔膜表面,設(shè)計(jì)獨(dú)特的電池結(jié)構(gòu),在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中,嚴(yán)格控制環(huán)境污染問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)非人工接觸生產(chǎn)等。

21700 動(dòng)力鋰離子電池智能制造工廠的建設(shè)主要包括圓柱形21700 鋰離子電池智能制造和電池包(Pack)系統(tǒng)智能制造兩部分。 圓柱形21700 鋰離子電池智能制造過(guò)程對(duì)工藝的要求非常高。 在勻漿工藝中,采用了雙螺桿擠出機(jī)設(shè)備,空間占用率小、能耗低,可實(shí)現(xiàn)正負(fù)極1 t/h 的漿料產(chǎn)能,每條生產(chǎn)線的產(chǎn)能最高可達(dá)2.4 GWh/a,且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)混漿生產(chǎn),提升混漿效率。 在涂覆工藝中,采用1.3 m 的雙層設(shè)備,實(shí)現(xiàn)雙面涂覆,最高涂覆速率為40 m/min,最高產(chǎn)能與勻漿工藝一致。 在壓切工藝中,正極采用熱壓技術(shù)和液壓伺服控制壓輥,以得到厚度均勻、緊實(shí)度良好的正極片;負(fù)極采用二次碾壓工藝,以確保極片厚度在設(shè)定的范圍內(nèi)。 在電荷耦合元件(CCD)檢測(cè)系統(tǒng)的控制下,利用分切機(jī)將得到的正負(fù)極片按設(shè)定的寬度切割,CCD 檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)將發(fā)現(xiàn)的不合格極片自動(dòng)剔除,以提高后續(xù)電芯的良品率。 在卷繞工藝中,粉塵度要在10 000 級(jí)以下,環(huán)境溫度保持在18～26 ℃,濕度在1%以下。 切割好的正負(fù)極片經(jīng)烘干除水后,與隔膜等材料一起投入卷繞機(jī)中,進(jìn)行卷繞操作,得到極組,卷繞過(guò)程中的所有信息都能夠通過(guò)MES 系統(tǒng)全面監(jiān)測(cè)。 在裝配工藝中,使用先進(jìn)的組裝生產(chǎn)線,組裝速度可達(dá)200 只/s。 整個(gè)裝配過(guò)程較復(fù)雜:首先,上料機(jī)自動(dòng)上料,并把極組裝入電池殼中;其次,用焊接機(jī)將電池殼和負(fù)極耳焊接起來(lái);然后,用滾槽機(jī)對(duì)電池內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),確保電池能夠安全出廠;接著,用注液機(jī)向電池內(nèi)部注入電解液,并執(zhí)行封口操作,得到成型的電池;最后,用檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)電池的充放電性能,剔除不合格的產(chǎn)品后,將合格產(chǎn)品運(yùn)送到指定地點(diǎn),等待包裝出庫(kù)。 Pack 系統(tǒng)智能制造過(guò)程采用自動(dòng)化插接式工藝,成本較低,便于維護(hù),其流程包括:①設(shè)定好產(chǎn)線的設(shè)備布局;②電芯上料;③電芯檢測(cè);④電芯篩選;⑤電芯剝皮;⑥電芯入工裝;⑦等離子清洗;⑧電芯入中間塑料支架;⑨激光焊接;⑩模塊堆疊;?模組組裝及下線;?彈片安裝;?正極銅牌焊接;?Pack 下線(EOL)測(cè)試等。

4 鋰離子電池智能制造關(guān)鍵技術(shù)及重要意義

“21700 動(dòng)力鋰離子電池智能制造”項(xiàng)目將物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)云平臺(tái)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用其中。 在車(chē)間物流配送環(huán)節(jié)配備智能引導(dǎo)裝置(AGV)小車(chē),輔以激光雷達(dá)、智能控制算法(如導(dǎo)航算法、路徑規(guī)劃算法和車(chē)輛調(diào)度算法等)等,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位、自主路徑規(guī)劃和物料的無(wú)人化傳送。 在生產(chǎn)管理過(guò)程中,引入MES 系統(tǒng),以促進(jìn)整個(gè)管理過(guò)程水平的提升,優(yōu)化人員結(jié)構(gòu),降低生產(chǎn)管理成本,改進(jìn)工藝流程,提高產(chǎn)品質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)全面、智能化管理。 該項(xiàng)目建立了工業(yè)云平臺(tái)解決方案。 在鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中,要通過(guò)各種控制器和傳感器等感知數(shù)據(jù),基于此,該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了嵌入式軟件及程序,使得控制器、傳感器等的數(shù)據(jù)能夠無(wú)縫傳輸?shù)焦I(yè)云平臺(tái)和智能制造平臺(tái)上,為設(shè)備檢測(cè)、生產(chǎn)線管理、故障診斷和維修保養(yǎng)服務(wù)等操作的執(zhí)行提供便利。 該項(xiàng)目還應(yīng)用人工智能技術(shù),以提高鋰離子電池的質(zhì)量。 在極片制造過(guò)程中,可能會(huì)出現(xiàn)極片露金屬、暗斑、亮點(diǎn)等瑕疵,因此,利用機(jī)器視覺(jué)的方式自動(dòng)檢測(cè)極片質(zhì)量,剔除殘次品。 在質(zhì)量分析方面,利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式,對(duì)鋰離子電池進(jìn)行分類建模,實(shí)現(xiàn)對(duì)次品的精準(zhǔn)識(shí)別。 這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,促進(jìn)了動(dòng)力電池生產(chǎn)向信息化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

“21700 動(dòng)力鋰離子電池智能制造”項(xiàng)目的實(shí)施,具有重要的意義。 該項(xiàng)目將各種先進(jìn)工藝應(yīng)用到生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)智能化的管理和運(yùn)營(yíng),實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的非接觸式自動(dòng)化生產(chǎn),降低了生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本,提高了動(dòng)力電池單體的一致性。 該項(xiàng)目使用的裝備、原材料大多是由國(guó)內(nèi)廠商提供,國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到80%,帶動(dòng)了動(dòng)力電池裝備生產(chǎn)商的發(fā)展,促進(jìn)了全產(chǎn)業(yè)鏈的提升。 與類似項(xiàng)目相比,該項(xiàng)目生產(chǎn)的電池具備諸多優(yōu)勢(shì),如電池蓋的厚度降低了約12%,比功率提升至3 900 W/kg,箔材厚度降低30%以上,充電倍率可達(dá)1.2C等。 對(duì)于鋰離子電池行業(yè)而言,該項(xiàng)目在一定程度上促進(jìn)了電池產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化調(diào)整,促使制造過(guò)程的MES 和ERP 整合,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)的突破,建立了數(shù)字化生產(chǎn)工廠。

5 結(jié)語(yǔ)

《鋰離子電池智能制造》一書(shū)將理論知識(shí)和項(xiàng)目實(shí)例相結(jié)合,對(duì)鋰離子電池的智能制造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。 首先,對(duì)鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀、工作原理、組成結(jié)構(gòu)、原材料和生產(chǎn)工藝流程等進(jìn)行了詳細(xì)介紹;接著,以S 公司主導(dǎo)的“21700 動(dòng)力鋰離子電池智能制造”項(xiàng)目為例,對(duì)鋰離子電池的智能制造方案、制造流程及工藝步驟、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了闡述;最后,說(shuō)明了項(xiàng)目實(shí)施的意義。 該書(shū)內(nèi)容詳盡、圖文并茂,可供從事鋰離子電池智能制造、新能源汽車(chē)電池研究的相關(guān)技術(shù)人員參考。

書(shū)名:鋰離子電池智能制造

作者:崔少華 編著

ISBN:9787111674849

出版社:機(jī)械工業(yè)出版社

出版時(shí)間:2021-03-01

定價(jià):￥39.80 元