动力电池生产流程，电池材料选择

锂电池在传统领域主要应用于数码产品,在新能源长足发展的今天,普遍应用于动力电池、储能领域。

电池技术本身并不怎么高深莫测,基本原理就是氧化还原反应。但能量载体们涉及到的具体化学过程千变万化。具体到实际应用中涉及到材料学、无机化学、有机化学、物理、表面、界面、热力学、动力学、工程机械加工、电子电路技术等交织在一起的诸多问题。

氧化还原反应

锂离子电池是一个复杂的体系,包含了正极、负极、隔膜、电解液、集流体和粘结剂、导电剂等,涉及的反应包括正负极的电化学反应、锂离子传导和电子传导,以及热量的扩散等。

一般而言,锂离子电池的开发分为几个周期,首先是实验室内的基础研究,这一部分主要是适用扣式半电池,或者简单的软包电池,这一步主要的目的是测试材料和配方的性能,因为电池的结构没有进行优化,因此这里得到的结果并不能直接应用在生产上。

在进行了实验室级别的初步测试和评估后,好的材料和配方就会转移到下一个阶段——中试阶段,在这一阶段需要考虑电池的综合性能,例如电池能量密度(正负极的涂布量)和快充、倍率等特性,并发现在大规模生产过程中可能面临的工艺问题,及时做出调整。通过上述的过程,完善了电池配方和生产工艺后,成熟的产品才能最终投入正式生产。

由于影响锂离子电池性能的因素众多,因此设计和生产或接的每一个参数都会对电池最终的电性能和安全性产生重大的影响,因此我们有必要深入了解材料、设计和工艺参数对于产品最终性能的影响。

电池材料选择

锂电池原材料资源的开采、加工,主要有锂资源、钴资源和石墨。

能量密度、成本、安全性、热稳定性、循环寿命是动力锂电池的5个关键指标,三元材料,锰酸钾与磷酸铁锂任何一个在这5个方面都不具有绝对优势,导致动力锂电池极材料路线的差异。

一款电池的设计要首先从材料的选择开始,需要根据目标需求,例如能量密度、倍率特性、循环寿命和安全等指标,选择合适的材料。正极材料选择方面,我们可以选择橄榄石结构的LiFePO4,这种材料更加适合应用在对能量密度需求不高的大巴车上,此外还有高容量的层状材料,例如NCM和NCM,这些材料更加适合应用在纯电动汽车上,尖晶石结构的LiMN2O4则更加适合应用在混合动力汽车上。

负极材料方面,石墨一直是锂电池负极材料的不二选择,事实上如果只考虑能量密度的话,金属锡更适合作为负极材料。

为了改善正负极的导电性,通常还需要在其中添加少量的导电剂,目前最常见的导电剂为炭黑类材料,碳纤维类材料,以及近几年兴起的碳纳米管和石墨烯类材料。

此外,为了将电极粘附在集流体的表面还需要添加1-4%的粘结剂,目前的粘结剂主要分为两大类一类是油系粘结剂,另一大类是水系粘结剂。

电池的四个部件非常关键:正极(放电为阴极),负极(放电为阳极),电解质,膈膜。正负极是发生化学反应的地方,重要地位可以理解。但是电解质有啥么用处?做功还很占重量。

电池内部,金属锂在负极失去电子被氧化,成为锂离子,通过电解质向正极转移;正极材料得到电子被还原,被正极过来的锂离子中和。电解质的理想作用,是运送且仅运送锂离子。电池外部,电子从负极通过外界电路转移到正极,中间进行做功。理想情况下,电解质应该是好的锂离子的载体,但绝不能是好的电子载体。因此在没有外界电路时,电子无法在电池内部从负极转移到正极;只有存在外界电路时,电子转移才能进行。

单体电池的生产

第一步,单体电极的生产

混:将电极活性材料、粘结剂、溶剂等混合在一起,充分搅拌分散后,形成浆料。

涂:将制备的浆料以指定厚度均匀涂布到集流体(铝箔或铜箔等)上。

烘:高温烘烤干燥处理。

“混”和“烘”是有联系的,“烘”是为了更好的将混合的浆料固定在铝箔或铜箔上,而“烘”流程是一个高耗能环节,如能改善该环节,即可降低锂电池的正负极生产成本。

锂离子电池的匀浆是锂离子电池生产的关键环节,匀浆环节主要是将活性物质、粘结剂和导电剂等成分混合成为均匀的悬浊液,通常我们会首先将粘结剂分散成为胶液,然后有一些工艺会首先将导电剂与胶液分散成为导电胶,然后与活性物质混合。

有的工艺会将导电剂和粘结剂一起与胶液进行混合,匀浆的关键在于如何将浆料中的各个成分分散均匀,为了达到这一目标需要对匀浆工艺进行优化,目前主要的匀浆工艺主要分为干法匀浆和湿法匀浆,目前随着纳米材料的逐渐普及,目前厂锂离子电池厂家也开始采用高速分散设备,利用高速剪切作用,使得浆料分散的更加均匀,此外有也不少材料厂家开发了大量的改善浆料分散行的助剂。

第二步,单体电池的生产

在完成了上述的电极烘干过程后,我们就进入到了锂离子电池生产的下一个环节——单体电池的生产。

压:辊压是对已涂好的正负极材料进行轧压使其压实更好的依附在铝箔或铜箔上。

切:分切是对已轧压好的极片按工艺标准分切成条。

为了防止烘干后的电极再次吸收水分,整个单体电池生产环节都需要在干燥间内进行。

方形动力电池电芯的生产工艺主要有三大类,一种是卷绕工艺,这种工艺一般应用在圆柱形电池的生产上,目前也应用在方形电池的生产工艺上,这种工艺的主要优势是生产效率高,可以实现连续生产,缺点也很明显,由于电芯边缘处弯曲角度比较大,因此容易发生电极破碎,产生缺陷,特别是在厚电极的情况下,这一问题将变的更加严重;

第二种是叠片工艺,叠片工艺是一种比较理想的工艺,正负极极片首先会进行冲切,获得特定形状的极片,然后选择正极或者负极极片用隔膜制成封装袋进行保护,然后手工或者叠片机进行叠片,这种工艺的优势是不会引起极片形变,可以采用更厚的电极,但是由于叠片过程是一个非连续的过程,因此叠片工艺的生产效率比较低,采用这种工艺的厂家比较少;

第三种是Z型叠片工艺,这种工艺采用连续隔膜,将冲切好的正负极极片放置在隔膜中间,这种工艺在保留了叠片工艺的优势的基础上,也加速了生产过程,提高了生产效率,目前也有比较多的应用。

生产好的电芯首先要焊接极耳,极耳焊接方式主要是采用超声焊接工艺,采用卷绕工艺生产的电芯,受到电芯结构的限制单个电芯无法做的很厚,因此通常会将2-4个电芯并联焊接极耳,叠片工艺生产的电池结构上没有限制,因此一般都是单个电芯焊接极耳。下一步就到了入壳工序,焊接好极耳的电芯外表裹上保护膜后,装入到电池外壳之中,入壳后需要把极耳与电池壳的盖子上的正负极极柱采用超声焊、铆接等工艺连接在一起,然后将电池的上盖和外壳通过激光焊接焊在一起。

在完成焊接后,通常还需要进行检漏,并将其中漏率不合格的电池剔除,常见的检漏方法包括直压、倍压和差压等方法,良好的密封性是保证锂离子电池性能长期稳定可靠的关键,因此电池检漏也是方形动力电池生产中必不可少的一个环节。

经过检漏筛选的电池接下来就到了非常重要的注液工序,由于锂离子电池的电解液对水分十分敏感,因此注液过程必须在干燥间内部进行,为了改善电解液的浸润效果,通常需要进行真空注液。

电解液充分浸润的电池随后进入到了化成工序,化成主要是通过对电池进行小电流的充放电,对电池进行活化。

此外,由于电解液分解过程中通常会发生产气的问题,产生的气体可能会积累在电芯内,导致电解液浸润不充分,因此有的厂家为了将化成过程中的产气排出,也会将电池封口安排在化成之后。

化成后的电池还需要进行老化,所谓的老化就是将满电态的电池在一定的温度下进行搁置,搁置过程中由于锂离子电池内部的一些副反应,会导致电池的外电压和内阻的变化,通过对电池组的电压、内阻和容量等指标进行监控,能够剔除掉那些自放电不合格和内阻不合格的电池,以提高单体电池的一致性,同时老化结果也是后续的电池组匹配的重要参考依据,为了加速电池老化的速度,提高生产效率,厂家通常会在高温(50-60℃)下进行老化,以缩短电池老化时间。

电池模块和电池组的组装

单体电池完成老化后就进入到模块组合的阶段,在组合之前要首先进行筛选,也就是测试单体电池的容量、动态内阻和电压等数据,尽量选择各个参数一致的电池进行匹配。

一个大的电池组通常会由多个电池模块组成,每个电池模块则由多只单体电池通过串联和并联的方式组合而成,串联能够提升电池模块的电压,并联能够提升电池模块的容量,在为电池模块进行单体电池匹配时遵循的原则一般是串联优先考虑容量,以减少电池组在充放电过程中容量较低的模块发生过充或者过放。并联则优先考虑内阻,避免在大电流充放电的过程中因为电流分布不均造成的内阻较小的电池发生过充或者过放。

在完成了单体电池的匹配后,就进入到了电池模块的组合工序,这一工序通常是将匹配好的单体电池固定到电池组的模块结构件之中,然后利用汇流排将单体电池的电极极柱连接在一起。

虽然电池组中的单体电池都经过了精心的匹配,单体电池的容量和内阻的一致性都非常好,但是在循环的过程由于单体电池衰降速度的不一致,也会导致电池组内单体电池出现电压偏差,为了减少电池组内单体电池不一致性的问题,通常我们还会在电池组内加入均衡器,在电池组内部分单体的电压偏差达到一定程度时,我们会启动均衡器让电池组内的单体电池恢复一致。

均衡器按照工作原理一般可以分为耗散型均衡和非耗散型均衡,耗散型均衡结构最简单,就是直接将电池组中电压较高的电池放电,电能转化为热量耗散到环境之中,非耗散型均衡则比较复杂,电压较高的单体电池电量会通过均衡器给电压较低的电池充电,从而实现单体电池之间电压的均衡。

电池组的温度管理也是不容忽视的一部分,温度是影响锂离子电池性能的一个关键因素,特别是在电池组内电池众多的情况下,在充放电发热的影响下,很容易导致电池组内温度分布不均匀,影响电池组的电性能和可靠性。

实验验证电池组的不一致性

根据用户的需求,一个动力电池组通常由数个电池模块组成,这些模块通过串联的方式连接在一起对外供电,满足不同使用场景的需求。

此外,我们还需要为电池组安装管理系统,也就是我们通常所说的BMS,BMS的主要功能是控制电池组的充放电,防止电池发生过充或者过放等问题,此外还需要管理电池组的均衡系统和热管理系统,提升电池组的性能和寿命。为了提升动力电池组的安全性,我们还会在电池组内加入一些热失控预警和阻断装置,以减少电池组热失控造成的危害。