动力电池生产流程，电池材料选择

锂电池在传统领域首要运用于数码产品,在新能源长足发展的今日,普遍运用于动力电池、储能领域。

电池技术本身并不怎样高深莫测,基本原理就是氧化康复反应。但能量载体们触及到的具体化学进程千变万化。具体到实际运用中触及到材料学、无机化学、有机化学、物理、外表、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许多问题。

氧化康复反应

锂离子电池是一个复杂的系统,包含了正极、负极、隔膜、电解液、集流体和粘结剂、导电剂等,触及的反应包含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。

一般来说,锂离子电池的开发分为几个周期,首要是实验室内的基础研究,这一部分首要是适用扣式半电池,或许简略的软包电池,这一步首要的目的是检验材料和配方的功用,因为电池的结构没有进行优化,因此这儿得到的作用并不能直接运用在出产上。

在进行了实验室级别的初步检验和评价后,好的材料和配方就会搬运到下一个阶段——中试阶段,在这一阶段需求考虑电池的归纳功用,例如电池能量密度(正负极的涂布量)和快充、倍率等特性,并发现在大规模出产进程中或许面临的工艺问题,及时做出调整。通过上述的进程,完善了电池配方和出产工艺后,成熟的产品才华毕竟投入正式出产。

因为影响锂离子电池功用的要素许多,因此规划和出产或接的每一个参数都会对电池毕竟的电功用和安全性产生严重的影响,因此我们有必要深化了解材料、规划和工艺参数关于产品毕竟功用的影响。

电池材料选择

锂电池原材料资源的开采、加工,首要有锂资源、钴资源和石墨。

能量密度、本钱、安全性、热稳定性、循环寿数是动力锂电池的5个要害政策,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。

一款电池的规划要首要从材料的选择初步,需求根据政策需求,例如能量密度、倍率特性、循环寿数和安全等政策,选择适宜的材料。正极材料选择方面,我们能够选择橄榄石结构的LiFePO4,这种材料更加适宜运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,这些材料更加适宜运用在纯电动汽车上,尖晶石结构的LiMN2O4则更加适宜运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贰选择,事实上假如只考虑能量密度的话,金属锡更适宜作为负极材料。

为了改善正负极的导电性,一般还需求在其间添加少量的导电剂,现在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外表还需求添加1-4%的粘结剂,现在的粘结剂首要分为两大类一类是油系粘结剂,另一大类是水系粘结剂。

电池的四个部件十分要害:正极(放电为阴极),负极(放电为阳极),电解质,膈膜。正负极是产生化学反应的地方,重要位置能够理解。可是电解质有啥么用处?做功还很占分量。

电池内部,金属锂在负极失掉电子被氧化,成为锂离子,通过电解质向正极搬运;正极材料得到电子被康复,被正极过来的锂离子中和。电解质的志向作用,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搬运到正极,中心进行做功。志向情况下,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搬运到正极;只有存在外界电路时,电子搬运才华进行。

单体电池的出产

第一步,单体电极的出产

混:将电极活性材料、粘结剂、溶剂等混合在一起,充分搅拌松散后,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:高温烘烤单调处理。

“混”和“烘”是有联络的,“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,即可下降锂电池的正负极出产本钱。

锂离子电池的匀浆是锂离子电池出产的要害环节,匀浆环节首要是将活性物质、粘结剂和导电剂等成分混合成为均匀的悬浊液,一般我们会首要将粘结剂松散成为胶液,然后有一些工艺会首要将导电剂与胶液松散成为导电胶,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,匀浆的要害在于如何将浆料中的各个成分松散均匀,为了抵达这一政策需求对匀浆工艺进行优化,现在首要的匀浆工艺首要分为干法匀浆和湿法匀浆,现在随着纳米材料的逐步广泛,现在厂锂离子电池厂家也初步选用高速松散设备,运用高速剪切作用,使得浆料松散的更加均匀,此外有也不少材料厂家开发了许多的改善浆料松散行的助剂。

第二步,单体电池的出产

在结束了上述的电极烘干进程后,我们就进入到了锂离子电池出产的下一个环节——单体电池的出产。

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。

为了避免烘干后的电极再次吸收水分,整个单体电池出产环节都需求在单调间内进行。

方形动力电池电芯的出产工艺首要有三大类,一种是卷绕工艺,这种工艺一般运用在圆柱形电池的出产上,现在也运用在方形电池的出产工艺上,这种工艺的首要优势是出产功率高,能够结束连续出产,缺陷也很明显,因为电芯边沿处曲折角度比较大,因此容易产生电极破碎,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志向的工艺,正负极极片首要会进行冲切,获得特定形状的极片,然后选择正极或许负极极片用隔膜制成封装袋进行维护,然后手艺或许叠片机进行叠片,这种工艺的优势是不会引起极片形变,能够选用更厚的电极,可是因为叠片进程是一个非连续的进程,因此叠片工艺的出产功率比较低,选用这种工艺的厂家比较少;

第三种是Z型叠片工艺,这种工艺选用连续隔膜,将冲切好的正负极极片放置在隔膜中心,这种工艺在保留了叠片工艺的优势的基础上,也加速了出产进程,进步了出产功率,现在也有比较多的运用。

出产好的电芯首要要焊接极耳,极耳焊接办法首要是选用超声焊接工艺,选用卷绕工艺出产的电芯,遭到电芯结构的束缚单个电芯无法做的很厚,因此一般会将2-4个电芯并联焊接极耳,叠片工艺出产的电池结构上没有束缚,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维护膜后,装入到电池外壳之中,入壳后需求把极耳与电池壳的盖子上的正负极极柱选用超声焊、铆接等工艺联接在一起,然后将电池的上盖和外壳通过激光焊接焊在一起。

在结束焊接后,一般还需求进行检漏,并将其间漏率不合格的电池剔除,常见的检漏办法包含直压、倍压和差压等办法,杰出的密封性是保证锂离子电池功用长时间稳定可靠的要害,因此电池检漏也是方形动力电池出产中必不可少的一个环节。

通过检漏选择的电池接下来就到了十分重要的注液工序,因为锂离子电池的电解液对水分十分灵敏,因此注液进程必须在单调间内部进行,为了改善电解液的润泽作用,一般需求进行真空注液。

电解液充分润泽的电池随后进入到了化成工序,化成首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,因为电解液分解进程中一般会发出产气的问题,产生的气体或许会堆集在电芯内,导致电解液润泽不充分,因此有的厂家为了将化成进程中的产气排出,也会将电池封口安排在化成之后。

化成后的电池还需求进行老化,所谓的老化就是将满电态的电池在必定的温度下进行放置,放置进程中因为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改动,通过对电池组的电压、内阻和容量等政策进行监控,能够剔除去那些自放电不合格和内阻不合格的电池,以进步单体电池的共同性,一起老化作用也是后续的电池组匹配的重要参阅根据,为了加速电池老化的速度,进步出产功率,厂家一般会在高温(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

单体电池结束老化后就进入到模块组合的阶段,在组合之前要首要进行选择,也就是检验单体电池的容量、动态内阻和电压等数据,尽量选择各个参数共同的电池进行匹配。

一个大的电池组一般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办法组合而成,串联能够进步电池模块的电压,并联能够进步电池模块的容量,在为电池模块进行单体电池匹配时遵从的原则一般是串联优先考虑容量,以减少电池组在充放电进程中容量较低的模块产生过充或许过放。并联则优先考虑内阻,避免在大电流充放电的进程中因为电流散布不均形成的内阻较小的电池产生过充或许过放。

在结束了单体电池的匹配后,就进入到了电池模块的组合工序,这一工序一般是将匹配好的单体电池固定到电池组的模块结构件之中,然后运用汇流排将单体电池的电极极柱联接在一起。

虽然电池组中的单体电池都通过了精心的匹配,单体电池的容量和内阻的共同性都十分好,可是在循环的进程因为单体电池衰降速度的不共同,也会导致电池组内单体电池出现电压误差,为了减少电池组内单体电池不共同性的问题,一般我们还会在电池组内参加均衡器,在电池组内部分单体的电压误差抵达必定程度时,我们会发动均衡器让电池组内的单体电池康复共同。

均衡器依照作业原理一般能够分为耗散型均衡和非耗散型均衡,耗散型均衡结构最简略,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,然后结束单体电池之间电压的均衡。

电池组的温度处理也是不容忽视的一部分,温度是影响锂离子电池功用的一个要害要素,特别是在电池组内电池许多的情况下,在充放电发热的影响下,很容易导致电池组内温度散布不均匀,影响电池组的电功用和可靠性。

实验验证电池组的不共同性

根据用户的需求,一个动力电池组一般由数个电池模块组成,这些模块通过串联的办法联接在一起对外供电,满足不同运用场景的需求。

此外,我们还需求为电池组安装处理系统,也就是我们一般所说的BMS,BMS的首要功用是控制电池组的充放电,避免电池产生过充或许过放等问题,此外还需求处理电池组的均衡系统和热处理系统,进步电池组的功用和寿数。为了进步动力电池组的安全性,我们还会在电池组内参加一些热失控预警和阻断装置,以减少电池组热失控形成的损害。