鋰電池制造工藝控制及潛在問題分析

歐韋聰(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007)

0 引言

世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新能源動(dòng)力電池的發(fā)展得到人們關(guān)注。其中鋰離子電池表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，成為當(dāng)前眾多動(dòng)力電池主流的發(fā)展方向。但是由于鋰離子化學(xué)性質(zhì)比較活躍，在鋰電池制備過程中，生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)工藝參數(shù)、材料配比等方面的因素，都會(huì)影響到電池成品之后的使用性能和安全性能。所以在鋰電池電芯的制造過程中，需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制，減少制備過程中產(chǎn)生的缺陷，保證電芯制造過程中的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，通過對(duì)電芯制備過程中的工藝管控，提高成品電池的使用性能及安全性能[1]。

首先針對(duì)鋰離子電池的反應(yīng)機(jī)理，我們總結(jié)出以下公式：

通過公式(1)，我們能更好的探究鋰離子電池的反應(yīng)機(jī)理：

(1)決定電池容量的關(guān)鍵在于電池正極活性物質(zhì)的量，鋰電池為鋰離子含量；

(2)當(dāng)正極過量時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生公式(2)的情況，在該反應(yīng)中析出的鋰以枝晶狀態(tài)存在，在電池內(nèi)部會(huì)容易刺穿隔膜，帶來危險(xiǎn)，故電池電極中，負(fù)極的量需要比正極稍多[2]；

(3)電池電解液作為運(yùn)送鋰離子的介質(zhì)，在電池的開發(fā)設(shè)計(jì)中電解質(zhì)需要保證一定的占比；

(4)電池中不能存在水分。根據(jù)公式(3)可以知道，電池中的水分在反應(yīng)中會(huì)額外消耗鋰離子的量，從而影響容量，另外，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體會(huì)造成電池鼓脹；在一定的條件下，水分還能與電解質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生公式(4)的情況，在一定程度上消耗了電解質(zhì)的量，從而對(duì)電池的反應(yīng)循環(huán)、反應(yīng)平臺(tái)造成影響[2]；

(5)鋰離子電池過充時(shí)，會(huì)出現(xiàn)公式(5)的情況，這種情況損壞電池正極結(jié)構(gòu)，從而影響電池壽命，同時(shí)產(chǎn)生的鋰枝晶，則會(huì)引起安全問題[2]；

(6)鋰離子電池短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的電流，容易引起電池安全問題：

電池瞬間短路電流：

人體可承受正常電流：

(7)電池隔膜起著隔離電池正負(fù)極材料的作用。一旦隔膜破損，相當(dāng)于電池正、負(fù)極短接，瞬間產(chǎn)生極大電流，帶來安全問題。

以下將通過對(duì)電芯制備過程中的一些工藝控制點(diǎn)及潛在問題的描述，來討論電芯制備過程中應(yīng)注意的因素，從而更好的避免生產(chǎn)過程中問題的發(fā)生。

1 正負(fù)極材料熱處理

正負(fù)材料的熱處理具體是指在正負(fù)極材料下料攪拌之前，采用高溫出去材料中的雜質(zhì)和水分，避免影響成品電池的使用性能。但是在正負(fù)極材料的熱處理中，也存在以下幾個(gè)潛在問題：(1)熱處理溫度偏高，導(dǎo)致正極材料結(jié)塊，從而直接影響后續(xù)的電池制備工序；(2)熱處理溫度偏低，導(dǎo)致水分和雜質(zhì)無(wú)法去除干凈，引起成品電池使用后容量低、電池鼓脹等問題。所以在正負(fù)極材料的熱處理環(huán)節(jié)，需要嚴(yán)格控制加熱溫度，避免產(chǎn)生溫度偏高或者偏低的問題。

2 正負(fù)極材料攪拌

正負(fù)極材料攪拌是指使用攪拌機(jī)分別將正、負(fù)極原材料充分分散混合。在此過程中存在的潛在問題如下：(1)攪拌不均勻，使得電池內(nèi)部材料分布偏差，可能會(huì)降低電池容量、增大電池內(nèi)阻，減少電池的循環(huán)壽命，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)安全問題；(2)攪拌過程中有雜質(zhì)混入，混入的雜質(zhì)可能刺穿隔膜，引起電池內(nèi)短路，自放電異常，降低電池壽命，產(chǎn)生安全問題。所以在攪拌過程中，需注意正負(fù)極材料分別混合的均勻程度及純凈度。

3 拉漿

拉漿是指將攪拌均勻后的正、負(fù)極材料均勻地涂抹覆蓋在基體表面，并烘干材料[3]。在此過程中存在以下潛在問題：(1)拉漿厚度不均勻，電池內(nèi)部材料分布偏差，可能會(huì)降低電池容量、增大電池內(nèi)阻，減少電池的循環(huán)壽命，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)安全問題；(2)烘干溫度不穩(wěn)定，影響極片的粘接性能，導(dǎo)致正負(fù)極材料的量減少，從而影響成品電池的使用性能。所以拉漿機(jī)參數(shù)在生產(chǎn)過程中需要特別注意，需要保持參數(shù)在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶苊庖驗(yàn)楣に噮?shù)原因?qū)е码姵厣a(chǎn)質(zhì)量降低。

4 刮粉

刮粉指的刮除極片上無(wú)效位置和極耳位置的覆料。在此過程中，存在以下潛在問題：(1)刮粉尺寸偏差，導(dǎo)致電池正負(fù)極無(wú)法吻合，引起電池安全問題；(2)刮傷基體，導(dǎo)致基體材料斷裂或者產(chǎn)生毛刺，以上缺陷可能會(huì)在后續(xù)的工序中刺穿電池隔膜，引起電池安全問題。在刮粉過程中，要嚴(yán)格控制刮粉尺寸以及刮粉的位置，提升刮粉工序的質(zhì)量。

5 對(duì)輥

對(duì)輥是指使用機(jī)械通過輥頭的壓力，將電池極片上的正、負(fù)極材料壓實(shí)，用以增加電池活性物質(zhì)密度，并使涂覆材料厚度在適合范圍內(nèi)。此過程存以下潛在問題：(1)輥頭壓力過小，導(dǎo)致材料厚度偏大，造成后工序卷繞對(duì)位不準(zhǔn)、裝配困難的問題，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)產(chǎn)生安全問題；(2)輥面不平整，導(dǎo)致極片表面不光滑，嚴(yán)重的時(shí)候可能產(chǎn)生毛刺，刺穿隔膜而引起電池內(nèi)短路、自放電異常的危險(xiǎn)。所以對(duì)輥工藝中需要注意輥壓力度參數(shù)，輥面平整度，避免對(duì)輥工藝過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問題[4]。

6 分條

分條是指根據(jù)型號(hào)需求，將極片裁剪成不同尺寸。此過程中潛在問題為：(1)切口存在毛刺，容易在后工序中刺穿隔膜，引起電池短路危險(xiǎn)；(2)極片裁剪形狀不規(guī)整，導(dǎo)致后續(xù)卷繞對(duì)位不準(zhǔn)確，裝配困難，嚴(yán)重情況下還會(huì)引起電池短路。所以在電池生產(chǎn)分條工藝中，需要注意分條后極片的狀態(tài)，保證極片在裁剪后尺寸、形狀的標(biāo)準(zhǔn)化，提升電池生產(chǎn)質(zhì)量。

7 正、負(fù)極焊接

正、負(fù)極焊接，指的是分別將電池正極、負(fù)極的極片和極耳通過焊接的形式連接在一起。該工序?yàn)殡姵厣a(chǎn)過程中最關(guān)鍵的工序之一，在此步工序中，最大的潛在風(fēng)險(xiǎn)在于在焊接或鉚接的過程中，出現(xiàn)虛焊、焊穿、鉚接不牢固等情況，這樣容易出現(xiàn)電池?cái)嗦?、?nèi)阻增大的情況，影響電池的使用性能以及循環(huán)壽命。所以在正、負(fù)極焊接工序中，要關(guān)注并嚴(yán)格控制焊接參數(shù)和焊接的環(huán)境，同時(shí)檢查焊接后焊點(diǎn)質(zhì)量，在避免虛焊的同時(shí)，也要避免焊穿等情況，以免影響成品電池的使用性能及循環(huán)壽命，進(jìn)而降低電池整體質(zhì)量。

8 正、負(fù)極貼膠紙

電池正、負(fù)極貼膠紙工序是指用膠紙封住極耳部位可能出現(xiàn)的毛刺，進(jìn)而降低電池隔膜被毛刺刺穿引起電池內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)。該工序可能的潛在風(fēng)險(xiǎn)為：貼紙粘貼位置不當(dāng)，未能完全包裹住極耳毛刺，或者粘住極片上的活性物質(zhì)。如果露出毛刺可能會(huì)引起隔膜刺穿導(dǎo)致電池內(nèi)部短路引起危險(xiǎn)，而黏住極片活性物質(zhì)則可能會(huì)導(dǎo)致電池容量降低的情況。所以在該工序中，需要控制貼紙粘貼位置，并建立檢查標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，確保該工序操作標(biāo)準(zhǔn)化，降低電池后續(xù)生產(chǎn)制備工序風(fēng)險(xiǎn)，以保證電池在使用中的容量及安全性。

9 卷繞

卷繞是指在隔膜隔離良好的基礎(chǔ)上，將電池正負(fù)極準(zhǔn)確疊合的工序。該工序可能潛在的問題為：(1)極片對(duì)位時(shí)位置偏差，造車正負(fù)極材料錯(cuò)位，留下安全隱患；(2)卷繞過程中隔膜出現(xiàn)損壞，造成電池內(nèi)短路或者超過允許范圍的自放電現(xiàn)象，引起安全問題。所以在卷繞工藝中，需要嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，重點(diǎn)關(guān)注卷繞過程中正負(fù)極疊合的情況，以及隔膜的完好性，避免電池生產(chǎn)過程中直接產(chǎn)生的安全問題。

10 電芯套殼

電芯套殼主要是將卷繞好的電芯裝入殼體，并且焊接電池正負(fù)極的工藝，其主要分為壓扁、貼上下膠紙、入殼、焊接正負(fù)極耳和焊接蓋帽等步驟。其中主要潛在問題在于：(1)壓扁過程在于壓力的控制，壓力過大會(huì)造成電芯壓壞而短路；壓力過小則會(huì)導(dǎo)致電池壓不到位而影響后續(xù)安裝。(2)貼上下膠紙主要目的是避免電芯與殼體或者蓋板之間直接接觸，從而避免內(nèi)短路故障，若膠紙粘貼位置粘貼不當(dāng)，電池在受外界震動(dòng)或者碰撞時(shí)，可能導(dǎo)致電芯與殼體接觸，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)短路，引起安全風(fēng)險(xiǎn)。(3)焊接正負(fù)極耳及焊接蓋帽是關(guān)鍵的一步，焊接參數(shù)的不穩(wěn)定導(dǎo)致虛焊或者焊穿，引起電池內(nèi)阻增大甚至斷路，極大程度的影響了電池的使用性能和安全性能。所以電芯套殼的過程中，要時(shí)刻注意各步驟的操作規(guī)范，反復(fù)檢查確保每道工序的質(zhì)量，提升電池的生產(chǎn)質(zhì)量。

11 電池烘烤

電池烘烤是指在電芯入殼并焊接完成時(shí)候，在真空環(huán)境下對(duì)電池進(jìn)行烘烤操作，其目的在于除去電池中的水分，確保電池干燥。該工序可能存在以下問題：(1)溫度不適，溫度過高或者過低都會(huì)影響電池的容量、循環(huán)壽命等特性。(2)抽真空過程不完全，導(dǎo)致真空度不夠，直接影響電池中水分的去除。所以在此步驟中，需要嚴(yán)格把控電池烘烤的溫度，保證烘烤溫度適中，并且注意烘烤環(huán)境的真空度，避免烘烤過程中引入空氣中的水分導(dǎo)致烘烤效果不理想。

12 短路檢測(cè)

短路檢測(cè)是指針對(duì)烘烤完畢的電池，進(jìn)行短路檢測(cè)，以排除在前工序中生產(chǎn)出的短路的問題電池。一旦出現(xiàn)短路或者微短路的電池，需要及時(shí)排除，否則在后續(xù)的充放電時(shí)，引起電池自放電的故障，嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)爆炸，引起生產(chǎn)中的安全事故。

13 注液儲(chǔ)存

注液儲(chǔ)存步驟主要是指在真空狀態(tài)下向電池中定量注入電解液，并使電解液充分滲透的過程。該工序中注液量過多或者過少，都會(huì)影響到電池內(nèi)部的含水量，進(jìn)而導(dǎo)致影響電池容量及循環(huán)次數(shù)，更嚴(yán)重的會(huì)引起電池鼓包、漏液等安全問題。所以在該工序中，需要嚴(yán)格控制電解液注入量及保持周圍環(huán)境干燥，以避免水分對(duì)電池的影響。

14 化成

電池化成是至關(guān)重要的一個(gè)生產(chǎn)工序，指的是用小電流對(duì)封裝完成的電池進(jìn)行充電激活材料活性，同時(shí)在陽(yáng)極表面生成一種保護(hù)膜，以保護(hù)整個(gè)化學(xué)界面[5]。該工序存在的潛在問題在于：(1)電池充電不到位，導(dǎo)致后續(xù)電池容量不足，進(jìn)而影響電池的使用性能甚至導(dǎo)致電池鼓脹；(2)充電時(shí)間控制不當(dāng)，會(huì)使得電池內(nèi)部含水量增加，影響電池容量、內(nèi)阻、電壓平臺(tái)、循環(huán)壽命等一系列的問題。所以在電池化成步驟需要嚴(yán)格控制充電的電流以及充電的時(shí)間，避免因?yàn)榛刹襟E的缺陷，對(duì)電池后續(xù)的生產(chǎn)使用帶來不可逆的影響。故在化成過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注充電參數(shù)及時(shí)間，避免因化成步驟的缺陷影響電池整體性能及質(zhì)量。

15 處理及出廠檢測(cè)

電池生產(chǎn)后處理及出廠檢測(cè)，主要是針對(duì)電池后續(xù)拋光、充電、點(diǎn)膠及下線檢測(cè)等步驟。該步驟作為電池生產(chǎn)的最終的“善后”程序，對(duì)電池外觀及最終性能也起到關(guān)鍵性的作用，起主要風(fēng)險(xiǎn)在于：(1)電池表面拋光時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)引起電池局部過熱，影響電池的各項(xiàng)性能；(2)充電過程為確保電池SOC達(dá)到50%，若電壓控制不準(zhǔn)確，易影響后續(xù)出貨的判斷，進(jìn)而可能影響電池系統(tǒng)的生產(chǎn)；(3)電池點(diǎn)膠為了保證電池封口出的密封性，膠水配制不當(dāng)不僅會(huì)影響電池外觀，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響電池的密封性能，導(dǎo)致電池壽命下降，最終影響電池最終的使用性能；(4)出貨檢測(cè)作為電池生產(chǎn)過程中最后的檢測(cè)步驟，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池出貨時(shí)存在的問題，避免問題電池流入后續(xù)工位，能有效抑制缺陷的產(chǎn)生，提高電池整體的生產(chǎn)質(zhì)量。

16 結(jié)語(yǔ)

通過電池生產(chǎn)的工藝把控，能夠有效的解決在各生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的潛在問題，有效提升電池整體生產(chǎn)質(zhì)量、使用性能和安全性能[6]。同時(shí)，電池的質(zhì)量確保，也為后續(xù)的新能源汽車提供穩(wěn)定可靠的能量來源，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，創(chuàng)造安全、高性能的新能源發(fā)展環(huán)境，以促進(jìn)“綠色”能源的廣泛應(yīng)用，為社會(huì)未來的發(fā)展奠定環(huán)保、高效的基石。