鋰離子電池是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰電池型號(hào)，具有電芯制造自動(dòng)化水平高、電池一致性好、單體電芯能量密度高、散熱性好等優(yōu)點(diǎn)。本文將介紹鋰離子電池的電芯制造工藝，并分析電芯制造各工序的控制點(diǎn)及其對(duì)電池電氣性能的影響。

 

鋰離子電池工作原理

鋰離子電池主要由陰極、陽(yáng)極、隔膜和電解質(zhì)組成，并依靠Li+在陰極和陽(yáng)極之間移動(dòng)來(lái)工作。充電時(shí)，Li+從陰極脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)插入陽(yáng)極，陽(yáng)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)情況正好相反。

 

 

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)主要由四種主要材料組成。同時(shí)，一個(gè)完整的18650電池還包括輔助材料，如陰極和陽(yáng)極引線、上下絕緣片、蓋板和外部鋼殼。

 

鋰離子電池單元制造工藝

鋰離子電池單體的制造過(guò)程十分復(fù)雜，有許多工序。任何環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤都會(huì)影響鋰離子電池的性能或帶來(lái)安全問(wèn)題。因此，只有嚴(yán)格控制每一個(gè)電池單元的制造過(guò)程，我們才能制造出性能和安全性都很好的合格電池。

鋰離子電池單元制造的前端工藝包括漿料混合、涂覆、軋制、分切、片材、纏繞、脫殼、底部焊接、輥槽和烘烤10個(gè)工藝。上述工藝的核心是將粉末狀的陰極和陽(yáng)極材料制成繞組芯。在生產(chǎn)過(guò)程中，要防止誤焊、偏焊、漏焊或極片碎裂、絕緣膠部分或漏焊等。

卷繞過(guò)程是形成圓柱形鋰電池的一個(gè)重要過(guò)程。帶狀陰極和陽(yáng)極極片以及隔板通過(guò)纏繞機(jī)纏繞成圓柱形芯。這種工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)是陽(yáng)極極片必須完全覆蓋陰極極片，分離器必須完全覆蓋陽(yáng)極極片，這對(duì)工藝精度要求非常高。

 

 

鋰電池的制造過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。主要的電池單體制造工藝主要包括電極生產(chǎn)的攪拌和涂覆階段（前階段）、電池合成的繞組液體注入階段（中期）以及電池成型包裝的包裝和測(cè)試階段（第二階段）。

與鋰電池單體制造前端工藝相對(duì)應(yīng)的鋰電池設(shè)備主要包括真空攪拌機(jī)、涂布機(jī)、輥壓機(jī)等。中間工藝主要包括模切機(jī)、卷繞機(jī)、堆垛機(jī)、液體注射機(jī)等。后臺(tái)工藝包括成型機(jī)、體積測(cè)試設(shè)備，過(guò)程倉(cāng)儲(chǔ)和物流自動(dòng)化等。除此之外，電池組的生產(chǎn)還需要電池組自動(dòng)化設(shè)備。

 

鋰電池單元制造前段生產(chǎn)工藝

鋰電池單體制造前端工藝的結(jié)果是完成鋰電池陰極和陽(yáng)極的制備。第一個(gè)過(guò)程是攪拌，即將陰極和陽(yáng)極固體電池材料均勻混合，加入溶劑，并通過(guò)真空攪拌器將其攪拌成漿料。配料的攪拌是鋰電池后續(xù)工藝的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的攪拌是高質(zhì)量完成后續(xù)涂層和軋制工藝的基礎(chǔ)。

涂層和軋制過(guò)程之后是縱切，也就是說(shuō)，對(duì)涂層進(jìn)行縱切過(guò)程。如果在分切過(guò)程中產(chǎn)生毛刺，那么在隨后的組裝、電解液注入等程序中，甚至在電池使用過(guò)程中都會(huì)存在安全隱患。

 

 

因此，鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中的前端設(shè)備是電池制造的核心機(jī)器，關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線的質(zhì)量。因此，在整個(gè)鋰電池自動(dòng)化生產(chǎn)線中，前端設(shè)備的價(jià)值占比最高，約為35%。

 

鋰電池單元制造中期工藝

在鋰電池單體的制造過(guò)程中，中間工序主要是完成電池的成型。主要工藝包括片材生產(chǎn)、極片纏繞、模切、電池纏繞和層壓成型等。這是中國(guó)設(shè)備制造商目前競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域，約占鋰電池生產(chǎn)線價(jià)值的30%。

目前，動(dòng)力鋰電池的電池芯制造工藝主要包括纏繞和層壓，相應(yīng)的電池結(jié)構(gòu)主要為圓柱形、方形和袋狀。圓柱形和方形電池主要通過(guò)卷繞工藝生產(chǎn)，而袋狀電池主要通過(guò)層壓工藝生產(chǎn)。

氣缸主要以18650和26650為代表（特斯拉已經(jīng)自主研發(fā)了21700電池，正在全行業(yè)推廣）。方形和軟包的區(qū)別在于，外殼由硬鋁外殼和鋁塑膜制成。其中，軟包主要基于層壓工藝，鋁殼主要基于纏繞工藝。

 

 

軟包結(jié)構(gòu)主要面向中高端數(shù)字市場(chǎng)，單位產(chǎn)品的利潤(rùn)率相對(duì)較高。在同等產(chǎn)能下，相對(duì)利潤(rùn)高于鋁殼電池。由于鋁殼電池容易形成規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)品合格率和成本也容易控制，目前兩者在各自的市場(chǎng)領(lǐng)域都有可觀的利潤(rùn)。在可預(yù)見的未來(lái)，它們很難被完全取代。

由于纏繞工藝可以通過(guò)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電池的高速生產(chǎn)，而疊層技術(shù)所能提高的速度是有限的，因此目前我國(guó)動(dòng)力鋰電池主要采用纏繞工藝。因此，目前纏繞機(jī)的出貨量大于堆垛機(jī)。

與卷繞和層壓生產(chǎn)相對(duì)應(yīng)的前一道工序是極膜制作和模切。制作包括切割后焊接極片/極耳、除塵極片、粘貼保護(hù)膠紙、纏繞極耳或定尺切割。復(fù)卷極片用于后續(xù)的自動(dòng)纏繞，定長(zhǎng)切割極片用于隨后的半自動(dòng)纏繞。下料電極片是將切割好的電極片進(jìn)行卷繞和下料，以便進(jìn)行后續(xù)的層壓工藝。

在鋰電池封裝和焊接方面，中國(guó)主流的激光技術(shù)集成和應(yīng)用制造商都參與其中，可以滿足需求，不需要進(jìn)口。

 

鋰電池制造后端流程

鋰電池單體制造的后端生產(chǎn)流程主要包括體積分離、化學(xué)形成、測(cè)試、包裝和儲(chǔ)存四個(gè)流程，約占生產(chǎn)線價(jià)值的35%。形成和容量分離是后端過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，對(duì)活性電池進(jìn)行活化測(cè)試。由于電池的充放電測(cè)試周期較長(zhǎng)，因此設(shè)備的值最高。

 

 

成型過(guò)程的主要功能是對(duì)液體注射包裝后的電池單元進(jìn)行充電和活化，容量分離過(guò)程是對(duì)電池活化后的電池容量和其他電氣性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試并進(jìn)行分類。成型和體積分離由成型機(jī)和體積分離機(jī)進(jìn)行，通常通過(guò)自動(dòng)體積分離和形成系統(tǒng)。

 

鋰電池組工藝

動(dòng)力電池組系統(tǒng)是一種串聯(lián)和并聯(lián)連接許多單個(gè)電池的電池組，并集成了電源和熱管理等電池硬件系統(tǒng)。電池組是動(dòng)力電池系統(tǒng)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的關(guān)鍵，是連接上游電池生產(chǎn)和下游汽車應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。

通常設(shè)計(jì)要求由電池廠或汽車廠提出，通常由電池廠、汽車廠或第三方PACK廠完成。

 

 

鋰電池組生產(chǎn)線相對(duì)簡(jiǎn)單。核心工藝包括送料、支架粘貼、電焊、檢測(cè)等工藝。核心設(shè)備是一臺(tái)激光焊機(jī)和各種粘貼測(cè)試設(shè)備。目前，各大鋰電池設(shè)備制造商在該領(lǐng)域的自動(dòng)化集成布局較少，而激光設(shè)備制造商由于在激光領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在封裝設(shè)備領(lǐng)域的份額相對(duì)較高。

 

磷酸鐵鋰與三元電池技術(shù)

目前，我國(guó)主流動(dòng)力鋰電池的正極材料分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩種。其中，磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料，其循環(huán)壽命通常在2000次以上。再加上行業(yè)成熟導(dǎo)致價(jià)格和技術(shù)門檻的下降，由于各種因素，許多制造商會(huì)使用磷酸鐵鋰電池。

然而，磷酸鐵鋰電池在能量密度方面存在明顯缺陷。目前，領(lǐng)先的磷酸鐵鋰電池公司比亞迪磷酸鐵鋰單電池的能量密度為160Wh。到2023年底，比亞迪將把能源密度提高到180Wh。理論上，磷酸鐵鋰的能量密度很難超過(guò)200Gwh。

 

 

三元聚合物鋰電池是指以鎳鈷錳氧化物為正極材料的鋰電池。鎳鈷錳的實(shí)際比例可以根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)整。

由于三元鋰電池的能量密度更高，乘用車市場(chǎng)開始轉(zhuǎn)向三元鋰，磷酸鐵鋰在安全要求更高的乘用車中更受歡迎。隨著全電動(dòng)乘用車的發(fā)展，三元鋰電池正占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。

兩種材料的能量密度和成本不同，不同的汽車和不同的車企有不同的選擇。兩者的生產(chǎn)過(guò)程大致相同。差異主要體現(xiàn)在材料的使用和比例上，具體工藝參數(shù)差異較大，設(shè)備無(wú)法在同一條線上生產(chǎn)，簡(jiǎn)單的產(chǎn)能轉(zhuǎn)換和切換成本較高。因此，在產(chǎn)能規(guī)劃中，多家電池工廠將同時(shí)部署和單獨(dú)采購(gòu)設(shè)備。