锂电池生产工序完全手册

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、方形电池和软包电池等,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

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

挤压式涂布机

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

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

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

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

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

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

滚槽机

封口机

焊接机

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.