鋰離子電池是一個復雜的體系,包含了正極、負極、隔膜、電解液、集流體和粘結(jié)劑、導電劑等,涉及的反應(yīng)包括正負極的電化學反應(yīng)、鋰離子傳導和電子傳導,以及熱量的擴散等。鋰電池的生產(chǎn)工藝流程較長
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,因此在電池制造過程中對鋰電設(shè)備的精度、穩(wěn)定性和自動化水平都有極高的要求。
鋰電設(shè)備是將正負極材料、隔膜材料、電解液等原料通過有序工藝,進行制造生產(chǎn)的工藝裝備,鋰電設(shè)備對鋰電池性能和成本有重大影響
鋰電池制造流程機器設(shè)備
前段工序的生產(chǎn)目標是完成(正、負)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、涂布機、輥壓機、分條機、制片機、模切機等。
漿料攪拌(所用設(shè)備:真空攪拌機)是將正、負極固態(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,是完成后續(xù)涂布、輥壓等工藝的前序基礎(chǔ)。
攪拌流程圖
涂布(所用設(shè)備:涂布機)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,所以涂布機是前段工序中價值最高的設(shè)備。
轉(zhuǎn)移式涂布機原理
擠壓式涂布機原理
輥壓(所用設(shè)備:輥壓機)是將涂布后的極片進一步壓實,從而提高電池的能量密度。輥壓后極片的平整程度會直接影響后序分切工藝加工效果,而極片活性物質(zhì)的均勻程度也會間接影響電芯性能。
輥壓機原理
分切(所用設(shè)備:分條機)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(無毛刺、無屈曲)是考察分條機性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。
分條機原理
制片(所用設(shè)備:制片機)包括對分切后的極片焊接極耳、貼保護膠紙、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)是將涂布后極片沖切成型,用于后續(xù)工藝。
模切機原理
中段工序的生產(chǎn)目標是完成電芯的制造,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,具體來說是將前段工序制成的(正、負)極片,與隔膜、電解質(zhì)進行有序裝配。由于方形(卷狀)、圓柱(卷狀)與軟包(層狀)電池儲能結(jié)構(gòu)不同,導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。具體來說,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、注液機、封裝設(shè)備(入殼機、滾槽機、封口機、焊接機)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、注液機、封裝設(shè)備等。
卷繞(所用設(shè)備:卷繞機)是將制片工序或收卷式模切機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)。卷繞機可細分為方形卷繞機、圓柱卷繞機兩類,分別用于方形、圓柱鋰電池的生產(chǎn)。相比圓柱卷繞,方形卷繞工藝對張力控制的要求更高,故方形卷繞機技術(shù)難度更大。
卷繞機原理
疊片(所用設(shè)備:疊片機)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。然而,疊片機完成單次堆疊任務(wù),涉及多個子工序并行與復雜機構(gòu)協(xié)同,提升疊片效率需應(yīng)對復雜動力學控制問題;而卷繞機轉(zhuǎn)速與卷繞效率直接聯(lián)系,增效手段相對簡單。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(所用設(shè)備:注液機)是將電池的電解液定量注入電芯中。
注液機原理
電芯封裝(所用設(shè)備:入殼機、滾槽機、封口機、焊接機)是將卷芯放入電芯外殼中。
入殼機原理
滾槽機原理
封口機原理
焊接機原理
后段工序的生產(chǎn)目標是完成化成封裝。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)過檢測、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、分選等,所涉及的設(shè)備主要包括:充放電機、檢測設(shè)備等。
化成(所用設(shè)備:充放電機)是通過第一次充電使電芯激活,在此過程中負極表面生成有效鈍化膜(SEI 膜),以實現(xiàn)鋰電池的“初始化”。分容(所用設(shè)備:充放電機)即“分析容量”,是將化成后的電芯按照設(shè)計標準進行充放電,以測量電芯的電容量。對電芯進行充放電貫穿化成、分容工藝過程,因此充放電機是最常用的后段核心設(shè)備。充放電機的最小工作單位是“通道”,一個“單元”(BOX)由若干“通道”組合而成,多個“單元”組合在一起,就構(gòu)成了一臺充放電機。
檢測(所用設(shè)備:檢測設(shè)備)在充電、放電、靜置前后均要進行;分選是根據(jù)檢測結(jié)果對化成、分容后的電池按一定標準進行分類選擇。檢測、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到最優(yōu)。
鋰電池的生產(chǎn)離不開鋰電池生產(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,我國鋰電設(shè)備主要依賴進口,經(jīng)過幾年的快速發(fā)展,中國鋰電設(shè)備企業(yè)在技術(shù)、效率、穩(wěn)定性等多個方面都已經(jīng)逐步趕超了日韓設(shè)備企業(yè),并擁有性價比、售后維護等方面的優(yōu)勢。目前國內(nèi)鋰電設(shè)備企業(yè)集群已經(jīng)形成,并成為中國高端裝備名片進入國際市場。隨著鋰電龍頭縱向結(jié)盟與出海擴產(chǎn),鋰電設(shè)備受益下游擴產(chǎn)迎來快速增長的全新機遇期。
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