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锂电池生产工序完全手册

更新日期:2021-04-14 19:04:20

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。锂电池的生产工艺流程较长生产过程中涉及有 50多道工序。

 

锂电池按照形态可分为圆柱电池方形电池软包电池等,其生产工艺有一定差异,但整体上可将锂电制造流程划分为前段工序(极片制造)、中段工序(电芯合成)、后段工序(化成封装)。由于锂离子电池的安全性能要求很高,因此在电池制造过程中对锂电设备的精度、稳定性和自动化水平都有极高的要求。

 

锂电设备是将正负极材料、隔膜材料、电解液等原料通过有序工艺,进行制造生产的工艺装备,锂电设备对锂电池性能和成本有重大影响是决定因素之一按照不同工艺流程可将锂电设备分为前段设备、中段设备、后段设备,在锂电产线中,前段、中段、后段设备的价值占比约为4:3:3

 

锂电池制造流程机器设备

 

前段工序的生产目标是完成(正、负)极片的制造。前段工序主要流程有:搅拌、涂布、辊压、分切、制片、模切,所涉及的设备主要包括:搅拌机、涂布机、辊压机、分条机、制片机、模切机等。

浆料搅拌(所用设备:真空搅拌机)是将正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂搅拌成浆状。浆料搅拌是前段工序的始点,是完成后续涂布、辊压等工艺的前序基础。

 

搅拌流程图

 

涂布(所用设备:涂布机)是将搅拌后的浆料均匀涂覆在金属箔片上并烘干制成正、负极片。作为前段工序的核心环节,涂布工序的执行质量深刻影响着成品电池的一致性、安全性、寿命周期,所以涂布机是前段工序中价值最高的设备。

 

转移式涂布机原理

 

挤压式涂布机原理

 

辊压(所用设备:辊压机)是将涂布后的极片进一步压实,从而提高电池的能量密度。辊压后极片的平整程度会直接影响后序分切工艺加工效果,而极片活性物质的均匀程度也会间接影响电芯性能。

 

辊压机原理

 

分切(所用设备:分条机)是将较宽的整卷极片连续纵切成若干所需宽度的窄片。极片在分切中遭遇剪切作用断裂失效,分切后的边缘平整程度(无毛刺、无屈曲)是考察分条机性能优劣的关键。

 

分条机原理

 

制片(所用设备:制片机)包括对分切后的极片焊接极耳、贴保护胶纸、极耳包胶或使用激光切割成型极耳等,从而用于后续的卷绕工艺。模切(所用设备:模切机)是将涂布后极片冲切成型,用于后续工艺。

 

模切机原理


中段工序的生产目标是完成电芯的制造,不同类型锂电池的中段工序技术路线、产线设备存在差异。中段工序的本质是装配工序,具体来说是将前段工序制成的(正、负)极片,与隔膜、电解质进行有序装配。由于方形(卷状)、圆柱(卷状)与软包(层状)电池储能结构不同,导致不同类别锂电池在中段工序的技术路线、产线设备存在明显差异。具体来说,方形、圆柱电池的中段工序主要流程有:卷绕、注液、封装,所涉及的设备主要包括:卷绕机、注液机、封装设备(入壳机、滚槽机、封口机、焊接机)等;软包电池的中段工序主要流程有:叠片、注液、封装,所涉及的设备主要包括:叠片机、注液机、封装设备等。


卷绕(所用设备:卷绕机)是将制片工序或收卷式模切机制作的极片卷绕成锂离子电池的电芯,主要用于方形、圆形锂电池生产。卷绕机可细分为方形卷绕机、圆柱卷绕机两类,分别用于方形、圆柱锂电池的生产。相比圆柱卷绕,方形卷绕工艺对张力控制的要求更高,故方形卷绕机技术难度更大。

 

卷绕机原理

 

叠片(所用设备:叠片机)是将模切工序中制作的单体极片叠成锂离子电池的电芯,主要用于软包电池生产。相比方形、圆柱电芯,软包电芯在能量密度、安全性、放电性能等方面具有明显优势。然而,叠片机完成单次堆叠任务,涉及多个子工序并行与复杂机构协同,提升叠片效率需应对复杂动力学控制问题;而卷绕机转速与卷绕效率直接联系,增效手段相对简单。目前,叠片电芯的生产效率、良率与卷绕电芯有所差距。

 

注液机(所用设备:注液机)是将电池的电解液定量注入电芯中。

 

注液机原理

 

电芯封装(所用设备:入壳机、滚槽机、封口机、焊接机)是将卷芯放入电芯外壳中。

 

入壳机原理

 

滚槽机原理

 

封口机原理

 

焊接机原理

 

后段工序的生产目标是完成化成封装。截至中段工序,锂电池的电芯功能结构已经形成,后段工序的意义在于将其激活,经过检测、分选、组装,形成使用安全、性能稳定的锂电池成品。后段工序主要流程有:化成、分容、检测、分选等,所涉及的设备主要包括:充放电机、检测设备等。

化成(所用设备:充放电机)是通过第一次充电使电芯激活,在此过程中负极表面生成有效钝化膜(SEI 膜),以实现锂电池的“初始化”。分容(所用设备:充放电机)即“分析容量”,是将化成后的电芯按照设计标准进行充放电,以测量电芯的电容量。对电芯进行充放电贯穿化成、分容工艺过程,因此充放电机是最常用的后段核心设备。充放电机的最小工作单位是“通道”,一个“单元”(BOX)由若干“通道”组合而成,多个“单元”组合在一起,就构成了一台充放电机。

 

检测(所用设备:检测设备)在充电、放电、静置前后均要进行;分选是根据检测结果对化成、分容后的电池按一定标准进行分类选择。检测、分选工序的意义不仅在于排除不合格品,由于锂离子电池实际应用中,电芯常以并联、串联方式结合,所以选取性能接近的电芯,有助于使电池整体性能达到最优。

 

锂电池的生产离不开锂电池生产设备,除了电池本身所用材料之外,制造工艺和生产设备是决定电池性能的重要因素。早期,我国锂电设备主要依赖进口,经过几年的快速发展,中国锂电设备企业在技术、效率、稳定性等多个方面都已经逐步赶超了日韩设备企业,并拥有性价比、售后维护等方面的优势。目前国内锂电设备企业集群已经形成,并成为中国高端装备名片进入国际市场。随着锂电龙头纵向结盟与出海扩产,锂电设备受益下游扩产迎来快速增长的全新机遇期。

来自:电池世界

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