圆柱电池制备
2023-05-31
锂离子圆柱电池的生产工序可以概括为3大工段，21道工序。3大工段分别是前段工序（极片制备）、中段工序（电芯装配）、后段工序（化成封装）。21道工序分别是负极匀浆、正极匀浆、涂布、辊压、分切、制片、卷绕、入壳、底焊、滚槽、烘烤、注液、焊接、封口、清洗、套膜、活化、化成、老化、分选、分容。
前段
前段工序主要是极片制备阶段，包括正（负）极匀浆、涂布、辊压、分切、制片。
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行星搅拌机 |
涂布机 |
辊压机 |
分条机 |
正（负）极匀浆：
将正（负）极活性物质、导电剂、粘结剂等正（负）极物质混合在一起的混料过程，混料是把电池活性物质材料和辅料，在溶剂中进行高度分散形成牛顿型高粘度流体，达到将活性物质、导电剂、粘结剂及其它添加剂充分混合，均匀分散的目的。
涂布：
将浆料通过涂布机在集流体表面涂覆一层厚度均匀的涂层，再经过烘道加热将溶剂除去，得到极片。
辊压：
涂布完成后，极片需通过辊压机调整轧辊间隙、收放卷位置、张力等，并用试片试压，确保试压后的试片厚度符合工艺参数要求。
分切：
将较宽的极片用分切机分切成单颗电芯所需要的宽度。
制片：
在制片机上焊接极耳并在极耳位置贴上绝缘胶包覆裸露的集流体和极耳。
涂布机
涂布的主要目的是将稳定性好、粘度好、流动性好的浆料，均匀地涂覆在正负极表面上。其对锂电池的重要意义主要体现在一致性、循环寿命、安全性三方面。
在涂布过程中，若极片前、中、后三段位置正负极浆料涂层厚度不一致，或者极片前后参数不一致，则容易引起电池容量过低或过高，且可能在电池循环过程中形成析锂，影响电池寿命。涂布过程要严格确保没有颗粒、杂物、粉尘等混入极片中，如果混入杂物会引起电池内部微短路，严重时导致电池起火爆 炸。
因此为使中段的卷绕工艺能尽可能粗细均匀、紧密，要求正负极的涂布误差尽可能小，涂布机的先进程度会直接影响电池化学性能的优劣，以及最终产品的良品率（电池厂家通常要求在99%以上）。涂布机是前段工序的核心设备。涂布机经历了三种结构类型的演化，依次是刮刀式、转移式、狭缝挤压式涂布。
刮刀式主要应用于实验室条件下；转移式涂布主要应用于3C电池的生产；狭缝式挤压涂布主要应用于动力电池，近几年该类型由于动力电池生产需求的爆发而快速增加。
挤压涂布技术作为这三种中最先进的技术，可以用于较高粘度流体涂布，获得较高精度的涂层。
涂布机设备的技术先进程度主要考察四个方面：涂布技术，张力技术，纠偏技术，干燥技术。涂布技术需要满足不同厚度的生产要求，现在正极锂电铝箔厚度已经薄至6-8微米，负极锂电铜箔厚度已经薄至4.5-6微米，隔膜涂布也只有几个微米，石墨烯涂布甚至更薄，不同的厚度还需要针对客户开发不同的涂布方法，保证对浆料的涂布厚度精度控制在2微米以下。张力技术，由于幅材沿着涂布方向运动不可避免地出现张力不均匀状态，导致涂布质量缺乏一致性，因此需要确保片路运行过程中各段均有良好的张力控制。纠偏技术，由于涂布设备长度多在数十米，片路运行过程中会出现位置偏差，为了保证无论是铜膜铝膜还是很薄的隔膜都能在片路上平稳有效地运行，并实现精密涂布，需要选用不同的驱动形式配合响应的控制系统来纠偏。干燥技术，涂布生产的速度瓶颈在于烘干干燥，最直接的手段是加长风箱，但会带来成本和占地增加，加强之后还需要增强纠偏和张力控制，要想进一步改善干燥效率就需要改进风场的控制，温度场的控制，布局形式，尽量在保证涂布速度的情况下减小风箱长度。
辊压机
辊压的意义在于压实极片，提高电池的能量密度。极片在完成上一工序的涂布、干燥后，活性物质与箔片的剥离强度很低，此时需要对其进行辊压，增强活性物质与箔片的粘接强度，以防在电解液浸泡、电池使用过程中剥落。合适的压实密度可增大电池的放电容量、减小内阻、减小极化损失、延长电池的循环寿命、提高锂离子电池的利用率。
极片辊压一般由双辊压机完成，双辊压机是由两个铸钢压实辊以及电机和传动轴组成。开启辊压模式后，电机带动上下辊同时转动，收卷机构拉动极片将稳步穿过辊压间隙，最终被压到所需压实密度。辊压过程对电芯性能影响很大。辊压过程会出现几个典型问题：①极片厚度不一致。厚度不一致，意味着活物质密度不一致，锂离子和电子在极片中传输、传导速率会有所不同。当电流密度不同时，极易引起锂枝晶的析出，对电芯性能不利。此外，极片厚度不同时，活性物质与集流体之间的接触电阻也不同，极片越厚内阻越大，电池极化也就越严重，影响电芯容量。
极片部分位置出现过压。由于涂布时部分位置厚度过厚，辊压后则有可能出现过压的现象。过压的位置活物质颗粒出现破碎，活物质颗粒间接触紧密，在电芯充放电过程中，电子导电性增强，但离子移动通道减小或堵塞，不利于容量发挥，放电过程中极化增大，电压下降，容量减小。同时，过压后影响电解液的浸润效果，对电芯的性能也有很大的影响。
从工艺流程上看，辊压质量还会直接影响后续的极片加工效果。辊压后极片的理想状态是极片表面平整、光泽度一致、留白部分无明显波浪、极片无大程度翘曲。但是在实际生产中，操作熟练度、设备运行情况等不可避免会产生一些问题，影响后续工序中的极片分切，导致分切极片宽度不一致，极片出现毛刺。辊压结果还会影响极片的卷绕，严重的翘曲会造成极片卷绕过程中极片、隔膜间产生较大的空隙，在热压后会形成某些部分多层隔膜叠加，成为应力集中点，影响电芯性能。
分切机
分切机的功能是将辊压后的极片分切到需要的宽度，是卷绕的前一道关键工序。低端的分切机机械精度低，张力控制简单，不能适应超薄膜材料的分切。随着用户对于分切效率和分切质量要求的提高，高端的分切机逐渐具备波浪边分切功能，并且拥有较好的张力控制技术，优化分切速度和分切质量。极片分切工艺的主要技术难点在于处理毛刺、波浪边和掉粉。毛刺，特别是金属毛刺对锂电池的危害巨大，尺寸较大的金属毛刺直接刺穿隔膜，导致正负极之间短路。而极片分切工艺是锂离子电池制造工艺中毛刺产生的主要过程。通常要求毛刺在12微米以下，出现波浪边时，极片分切和卷绕时会出现边缘纠偏抖动，从而降低工艺精度，另外对电池最终的厚度和形貌也会出现不良影响。极片出现掉粉会影响电池性能，正极掉粉时，电池容量减小，而负极掉粉时出现负极无法包裹住正极的情形，容易造成析锂。
中段
中段工序主要是完成电芯的制备，包括卷绕、入壳、底焊、辊槽、烘烤、注液、焊接、封口、清洗、套膜。
极耳点焊机
卷绕机
短路测试仪
点底点焊机
滚槽机
注液机
封口机
测试仪
卷绕
是由条状正负极极片和隔膜通过卷绕机卷成圆柱形卷芯，这一工序管控要点在于负极极片必须完全包覆正极极片，而隔膜必须完全包覆负极极片，对工艺精度的要求非常高。
入壳、底焊、辊槽
卷芯完成后需放入钢壳并通过底焊使得负极耳与钢壳连接，这时整个钢壳就是电池的负极，再通过辊槽固定钢壳内的卷芯。
烘烤
将已入壳的卷芯置于烘烤箱中烘烤，直至卷芯的水分含量达到标准后才能转入下一工序。
注液
通过注液机将电解液注入烘烤后水分要求合格的卷芯。注液完成后，锂电池的四大主材均被应用到电芯之中。
盖帽焊接
将盖板与正极耳焊接在一起，这时整个盖板就是电池的正极，焊接的管控点在于防止虚焊、偏焊及盖帽外观不良。
封口
将钢壳与盖板密封，使壳体内的电芯体处于完全密封的状态，与外界环境隔离，避免物质交换。
清洗
清洗工序的目的是清除电池钢壳表面残留的电解液，防止电解液腐蚀钢壳。
套膜
套膜工序是保证电芯正负极端分开，防止外部电路发生短路，同时使电池有一定的美观度。
卷绕机
张力控制是影响卷绕机先进程度的核心技术。在整个卷绕过程中，为了保证电芯组装成的电池具有高一致性，需要尤其注意卷绕的张力控制。张力波动导致的松紧差异会使得卷绕出的电芯产生不均匀的拉伸形变，使电芯材料分层或出现S型皱褶，严重影响产品的一致性，隔膜、极片表面不平整起的褶皱会增大电池内阻。卷绕张力控制是一个高速的动态平衡过程，卷绕机在电气和软件控制方面要求很高，要求伺服控制系统快速反应，软件的编程也需要独到的经验水平。对于方形锂电池的卷绕，需要保持卷绕的线速度不变，角速度需要自动调整，因此方形锂电池卷绕的张力控制对技术要求更高。当前国内领先企业能做到圆柱电池张力波动控制在5%以下，方形电池张力波动控制在10%以下。卷绕机的自动纠偏技术和卷绕速度也比较关键。纠偏系统能保证电池卷绕过程中极片隔膜卷绕整齐，正极/负极/隔膜之间相对位置准确，目前行业通常要求卷后正负极片或隔膜的上下偏差均小于0.5mm，超过这一数值将对电池形变产生影响。
后段
完成中段工序意味着一颗外形完整的电芯制造已经结束。之后就是后段工序，此工序主要目的是将电芯激活，经过检测、分选、组装，形成锂离子电池成品。主要包括活化、化成、陈化、分选、分容。
活化
电芯套膜之后在恒温环境搁置一段时间，使电解液充分浸润极片和隔膜，防止因电解液浸润不均匀而导致析锂。
化成
通过第一次充电，使得电芯激活，此过程中负极表面会形成一层稳定的固体电解质相界面（SEI）膜。电池在化成后，才能体现真实的电性能；没有经过化成的电池，无法进行正常充放电。
老化
将化成后某一荷电状态的电芯在一定温度环境下搁置一段时间，并测试搁置前后电池的电压，根据电压下降情况筛选、分类，排除外界因素的影响，剔除压降大或压降异常的电芯。
分选
根据电芯交流内阻大小分选出不同内阻档位电芯，剔除内阻异常电芯。
分容
分容即分析容量。电池在制造过程中，因工艺原因使电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电检测，将电池按容量分类的过程称为分容。
经过上述3大工段，21道工序，新的锂离子电池产品被制备出来。在整个过程中，锂离子电池的生产既要严格把控好各工序的质量控制点、优化制作流程，还要严格控制生产环境的温度、湿度和洁净度等等。锂离子电池的生产是一个相当复杂且精细的工艺流程，细节决定成败，只有精雕细琢、百炼千锤才能做出优良的电池产品。
化成分容
化成分容及检测系统是后段工序中最关键的环节。锂电池电芯的化成分容是通过充放电的方式实现电池的初使化，使电芯的活性物质激活，是一个能量转换的过程。锂电芯的化成分容原理比较复杂，但同时也是影响电池性能很重要的一道工序，因为在Li+第一次充电时，Li+第一次插入到石墨中，会在电池内发生电化学反应，在电池首次充电过程中不可避免地要在碳负极与电解液的相界面上、形成覆盖在碳电极表面的钝化膜或SEI膜固体电解质界面(膜)）。SEI膜的性能直接决定了电池的倍率、自放电等性能。
为了达到使电池状态稳定，通常化成分容过程中会进行多次的充放电、60℃以下的恒温静置等。锂电池化成分容系统可以对单体锂电池进行恒流充电，当电压达到锂电池的充电上限电压时，转为恒压充电，直至充电电流逐渐降为0。然后再对电池进行恒流放电，直至电池电压达到放电截止电压。
化成和分容原理上略有区别，但均可用充放电机完成。化成只是充电的过程，不需要对电芯进行放电，所以化成的时候，可以使用单独的充电机，因而充电机也常常被称为化成机，又因为充电机的外表往往是方正的柜子形态，充电机又被称为化成柜。虽然化成不需要放电，但有些电芯的化成工艺需要进行一次以上的充电，紧接着化成之后的分容工序，需要对电芯先充电再放电，化成充电之后，还必须对电芯进行放电，这种工艺上的需要也导致很多电池生产厂家，直接使用带有充电和放电功能的充放电机来进行化成。
分容的意义在于筛选出合格电池并进行分组。由于电池制造过程中的工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定规范进行“充满电-放完电”循环，循环时间乘以放电电流就是电池的容量。只要测试得到的容量满足或大于设计容量，电池就是合格的。
通过对不同容量的电池进行分类，可以优化电池组的一致性。锂电池的化成分容过程中，对充放电电压和电流的要求非常严格，电压的高精度控制可以避免电池过充过放情况的出现。在分容过程中，需要使用到的主要设备是锂电池充放电机。具有“能量回馈”技术的充放电机可以较好解决分容充放电模块的散热问题，相比传统化成分容系统节电60%-80%。