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鋰離子電池是一個(gè)復(fù)雜的體系,包含了正極、負(fù)極、隔膜、電解液、集流體和粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等,涉及的反應(yīng)包括正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)、鋰離子傳導(dǎo)和電子傳導(dǎo),以及熱量的擴(kuò)散等。鋰電池的生產(chǎn)工藝流程較長(zhǎng),生產(chǎn)過(guò)程中涉及有 50 多道工序。
鋰電池按照形態(tài)可分為圓柱電池、方形電池和軟包電池等,其生產(chǎn)工藝有一定差異,但整體上可將鋰電制造流程劃分為前段工序(極片制造)、中段工序(電芯合成)、后段工序(化成封裝)。由于鋰離子電池的安全性能要求很高,因此在電池制造過(guò)程中對(duì)鋰電設(shè)備的精度、穩(wěn)定性和自動(dòng)化水平都有極高的要求。
鋰電設(shè)備是將正負(fù)極材料、隔膜材料、電解液等原料通過(guò)有序工藝,進(jìn)行制造生產(chǎn)的工藝裝備,鋰電設(shè)備對(duì)鋰電池性能和成本有重大影響,是決定因素之一。按照不同工藝流程可將鋰電設(shè)備分為前段設(shè)備、中段設(shè)備、后段設(shè)備。
前段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成(正、負(fù))極片的制造。前段工序主要流程有:攪拌、涂布、輥壓、分切、制片、模切,所涉及的設(shè)備主要包括:攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)、分條機(jī)、制片機(jī)、模切機(jī)等。
漿料攪拌(所用設(shè)備:真空攪拌機(jī))是將正、負(fù)極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑攪拌成漿狀。漿料攪拌是前段工序的始點(diǎn),是完成后續(xù)涂布、輥壓等工藝的前序基礎(chǔ)。
涂布(所用設(shè)備:涂布機(jī))是將攪拌后的漿料均勻涂覆在金屬箔片上并烘干制成正、負(fù)極片。作為前段工序的核心環(huán)節(jié),涂布工序的執(zhí)行質(zhì)量深刻影響著成品電池的一致性、安全性、壽命周期,所以涂布機(jī)是前段工序中價(jià)值最高的設(shè)備。
輥壓(所用設(shè)備:輥壓機(jī))是將涂布后的極片進(jìn)一步壓實(shí),從而提高電池的能量密度。輥壓后極片的平整程度會(huì)直接影響后序分切工藝加工效果,而極片活性物質(zhì)的均勻程度也會(huì)間接影響電芯性能。
分切(所用設(shè)備:分條機(jī))是將較寬的整卷極片連續(xù)縱切成若干所需寬度的窄片。極片在分切中遭遇剪切作用斷裂失效,分切后的邊緣平整程度(無(wú)毛刺、無(wú)屈曲)是考察分條機(jī)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。
制片(所用設(shè)備:制片機(jī))包括對(duì)分切后的極片焊接極耳、貼保護(hù)膠紙、極耳包膠或使用激光切割成型極耳等,從而用于后續(xù)的卷繞工藝。模切(所用設(shè)備:模切機(jī))是將涂布后極片沖切成型,用于后續(xù)工藝。
中段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成電芯的制造,不同類型鋰電池的中段工序技術(shù)路線、產(chǎn)線設(shè)備存在差異。中段工序的本質(zhì)是裝配工序,具體來(lái)說(shuō)是將前段工序制成的(正、負(fù))極片,與隔膜、電解質(zhì)進(jìn)行有序裝配。由于方形(卷狀)、圓柱(卷狀)與軟包(層狀)電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致不同類別鋰電池在中段工序的技術(shù)路線、產(chǎn)線設(shè)備存在明顯差異。具體來(lái)說(shuō),方形、圓柱電池的中段工序主要流程有:卷繞、注液、封裝,所涉及的設(shè)備主要包括:卷繞機(jī)、注液機(jī)、封裝設(shè)備(入殼機(jī)、滾槽機(jī)、封口機(jī)、焊接機(jī))等;軟包電池的中段工序主要流程有:疊片、注液、封裝,所涉及的設(shè)備主要包括:疊片機(jī)、注液機(jī)、封裝設(shè)備等。
卷繞(所用設(shè)備:卷繞機(jī))是將制片工序或收卷式模切機(jī)制作的極片卷繞成鋰離子電池的電芯,主要用于方形、圓形鋰電池生產(chǎn)。卷繞機(jī)可細(xì)分為方形卷繞機(jī)、圓柱卷繞機(jī)兩類,分別用于方形、圓柱鋰電池的生產(chǎn)。相比圓柱卷繞,方形卷繞工藝對(duì)張力控制的要求更高,故方形卷繞機(jī)技術(shù)難度更大。
疊片(所用設(shè)備:疊片機(jī))是將模切工序中制作的單體極片疊成鋰離子電池的電芯,主要用于軟包電池生產(chǎn)。相比方形、圓柱電芯,軟包電芯在能量密度、安全性、放電性能等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而,疊片機(jī)完成單次堆疊任務(wù),涉及多個(gè)子工序并行與復(fù)雜機(jī)構(gòu)協(xié)同,提升疊片效率需應(yīng)對(duì)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題;而卷繞機(jī)轉(zhuǎn)速與卷繞效率直接聯(lián)系,增效手段相對(duì)簡(jiǎn)單。目前,疊片電芯的生產(chǎn)效率、良率與卷繞電芯有所差距。
注液機(jī)(所用設(shè)備:注液機(jī))是將電池的電解液定量注入電芯中。
電芯封裝(所用設(shè)備:入殼機(jī)、滾槽機(jī)、封口機(jī)、焊接機(jī))是將卷芯放入電芯外殼中。
后段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成化成封裝。截至中段工序,鋰電池的電芯功能結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成,后段工序的意義在于將其激活,經(jīng)過(guò)檢測(cè)、分選、組裝,形成使用安全、性能穩(wěn)定的鋰電池成品。后段工序主要流程有:化成、分容、檢測(cè)、分選等,所涉及的設(shè)備主要包括:充放電機(jī)、檢測(cè)設(shè)備等。
化成(所用設(shè)備:充放電機(jī))是通過(guò)第一次充電使電芯激活,在此過(guò)程中負(fù)極表面生成有效鈍化膜(SEI 膜),以實(shí)現(xiàn)鋰電池的“初始化”。分容(所用設(shè)備:充放電機(jī))即“分析容量”,是將化成后的電芯按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充放電,以測(cè)量電芯的電容量。對(duì)電芯進(jìn)行充放電貫穿化成、分容工藝過(guò)程,因此充放電機(jī)是最常用的后段核心設(shè)備。充放電機(jī)的最小工作單位是“通道”,一個(gè)“單元”(BOX)由若干“通道”組合而成,多個(gè)“單元”組合在一起,就構(gòu)成了一臺(tái)充放電機(jī)。
檢測(cè)(所用設(shè)備:檢測(cè)設(shè)備)在充電、放電、靜置前后均要進(jìn)行;分選是根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)化成、分容后的電池按一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類選擇。檢測(cè)、分選工序的意義不僅在于排除不合格品,由于鋰離子電池實(shí)際應(yīng)用中,電芯常以并聯(lián)、串聯(lián)方式結(jié)合,所以選取性能接近的電芯,有助于使電池整體性能達(dá)到最優(yōu)。
鋰電池的生產(chǎn)離不開(kāi)鋰電池生產(chǎn)設(shè)備,除了電池本身所用材料之外,制造工藝和生產(chǎn)設(shè)備是決定電池性能的重要因素。早期,我國(guó)鋰電設(shè)備主要依賴進(jìn)口,經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展,中國(guó)鋰電設(shè)備企業(yè)在技術(shù)、效率、穩(wěn)定性等多個(gè)方面都已經(jīng)逐步趕超了日韓設(shè)備企業(yè),并擁有性價(jià)比、售后維護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)鋰電設(shè)備企業(yè)集群已經(jīng)形成,并成為中國(guó)高端裝備名片進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。隨著鋰電龍頭縱向結(jié)盟與出海擴(kuò)產(chǎn),鋰電設(shè)備受益下游擴(kuò)產(chǎn)迎來(lái)快速增長(zhǎng)的全新機(jī)遇期。