鋰電池在傳統(tǒng)領(lǐng)域主要應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品,在新能源長(zhǎng)足發(fā)展的今天,普遍應(yīng)用于動(dòng)力電池、儲(chǔ)能領(lǐng)域。

電池技術(shù)本身并不怎么高深莫測(cè),基本原理就是氧化還原反應(yīng)。但能量載體們涉及到的具體化學(xué)過程千變?nèi)f化。具體到實(shí)際應(yīng)用中涉及到材料學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理、表面、界面、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、工程機(jī)械加工、電子電路技術(shù)等交織在一起的諸多問題。

氧化還原反應(yīng)

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。

一般而言,鋰離子電池的開發(fā)分為幾個(gè)周期,首先是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的基礎(chǔ)研究,這一部分主要是適用扣式半電池,或者簡(jiǎn)單的軟包電池,這一步主要的目的是測(cè)試材料和配方的性能,因?yàn)殡姵氐慕Y(jié)構(gòu)沒有進(jìn)行優(yōu)化,因此這里得到的結(jié)果并不能直接應(yīng)用在生產(chǎn)上。

在進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的初步測(cè)試和評(píng)估后,好的材料和配方就會(huì)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)階段——中試階段,在這一階段需要考慮電池的綜合性能,例如電池能量密度(正負(fù)極的涂布量)和快充、倍率等特性,并發(fā)現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)過程中可能面臨的工藝問題,及時(shí)做出調(diào)整。通過上述的過程,完善了電池配方和生產(chǎn)工藝后,成熟的產(chǎn)品才能最終投入正式生產(chǎn)。

由于影響鋰離子電池性能的因素眾多,因此設(shè)計(jì)和生產(chǎn)或接的每一個(gè)參數(shù)都會(huì)對(duì)電池最終的電性能和安全性產(chǎn)生重大的影響,因此我們有必要深入了解材料、設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)對(duì)于產(chǎn)品最終性能的影響。

電池材料選擇

鋰電池原材料資源的開采、加工,主要有鋰資源、鈷資源和石墨。

能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性、循環(huán)壽命是動(dòng)力鋰電池的5個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),三元材料,錳酸鉀與磷酸鐵鋰任何一個(gè)在這5個(gè)方面都不具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致動(dòng)力鋰電池極材料路線的差異。

一款電池的設(shè)計(jì)要首先從材料的選擇開始,需要根據(jù)目標(biāo)需求,例如能量密度、倍率特性、循環(huán)壽命和安全等指標(biāo),選擇合適的材料。正極材料選擇方面,我們可以選擇橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4,這種材料更加適合應(yīng)用在對(duì)能量密度需求不高的大巴車上,此外還有高容量的層狀材料,例如NCM和NCM,這些材料更加適合應(yīng)用在純電動(dòng)汽車上,尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMN2O4則更加適合應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車上。

負(fù)極材料方面,石墨一直是鋰電池負(fù)極材料的不二選擇,事實(shí)上如果只考慮能量密度的話,金屬錫更適合作為負(fù)極材料。

為了改善正負(fù)極的導(dǎo)電性,通常還需要在其中添加少量的導(dǎo)電劑,目前最常見的導(dǎo)電劑為炭黑類材料,碳纖維類材料,以及近幾年興起的碳納米管和石墨烯類材料。

此外,為了將電極粘附在集流體的表面還需要添加1-4%的粘結(jié)劑,目前的粘結(jié)劑主要分為兩大類一類是油系粘結(jié)劑,另一大類是水系粘結(jié)劑。

電池的四個(gè)部件非常關(guān)鍵:正極(放電為陰極),負(fù)極(放電為陽極),電解質(zhì),膈膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方,重要地位可以理解。但是電解質(zhì)有啥么用處?做功還很占重量。

電池內(nèi)部,金屬鋰在負(fù)極失去電子被氧化,成為鋰離子,通過電解質(zhì)向正極轉(zhuǎn)移;正極材料得到電子被還原,被正極過來的鋰離子中和。電解質(zhì)的理想作用,是運(yùn)送且僅運(yùn)送鋰離子。電池外部,電子從負(fù)極通過外界電路轉(zhuǎn)移到正極,中間進(jìn)行做功。理想情況下,電解質(zhì)應(yīng)該是好的鋰離子的載體,但絕不能是好的電子載體。因此在沒有外界電路時(shí),電子無法在電池內(nèi)部從負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極;只有存在外界電路時(shí),電子轉(zhuǎn)移才能進(jìn)行。

單體電池的生產(chǎn)

第一步,單體電極的生產(chǎn)

混:將電極活性材料、粘結(jié)劑、溶劑等混合在一起,充分?jǐn)嚢璺稚⒑?形成漿料。

涂:將制備的漿料以指定厚度均勻涂布到集流體(鋁箔或銅箔等)上。

烘:高溫烘烤干燥處理。

“混”和“烘”是有聯(lián)系的,“烘”是為了更好的將混合的漿料固定在鋁箔或銅箔上,而“烘”流程是一個(gè)高耗能環(huán)節(jié),如能改善該環(huán)節(jié),即可降低鋰電池的正負(fù)極生產(chǎn)成本。

鋰離子電池的勻漿是鋰離子電池生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),勻漿環(huán)節(jié)主要是將活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等成分混合成為均勻的懸濁液,通常我們會(huì)首先將粘結(jié)劑分散成為膠液,然后有一些工藝會(huì)首先將導(dǎo)電劑與膠液分散成為導(dǎo)電膠,然后與活性物質(zhì)混合。

有的工藝會(huì)將導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑一起與膠液進(jìn)行混合,勻漿的關(guān)鍵在于如何將漿料中的各個(gè)成分分散均勻,為了達(dá)到這一目標(biāo)需要對(duì)勻漿工藝進(jìn)行優(yōu)化,目前主要的勻漿工藝主要分為干法勻漿和濕法勻漿,目前隨著納米材料的逐漸普及,目前廠鋰離子電池廠家也開始采用高速分散設(shè)備,利用高速剪切作用,使得漿料分散的更加均勻,此外有也不少材料廠家開發(fā)了大量的改善漿料分散行的助劑。

第二步,單體電池的生產(chǎn)

在完成了上述的電極烘干過程后,我們就進(jìn)入到了鋰離子電池生產(chǎn)的下一個(gè)環(huán)節(jié)——單體電池的生產(chǎn)。

壓:輥壓是對(duì)已涂好的正負(fù)極材料進(jìn)行軋壓使其壓實(shí)更好的依附在鋁箔或銅箔上。

切:分切是對(duì)已軋壓好的極片按工藝標(biāo)準(zhǔn)分切成條。

為了防止烘干后的電極再次吸收水分,整個(gè)單體電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要在干燥間內(nèi)進(jìn)行。

方形動(dòng)力電池電芯的生產(chǎn)工藝主要有三大類,一種是卷繞工藝,這種工藝一般應(yīng)用在圓柱形電池的生產(chǎn)上,目前也應(yīng)用在方形電池的生產(chǎn)工藝上,這種工藝的主要優(yōu)勢(shì)是生產(chǎn)效率高,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),缺點(diǎn)也很明顯,由于電芯邊緣處彎曲角度比較大,因此容易發(fā)生電極破碎,產(chǎn)生缺陷,特別是在厚電極的情況下,這一問題將變的更加嚴(yán)重;

第二種是疊片工藝,疊片工藝是一種比較理想的工藝,正負(fù)極極片首先會(huì)進(jìn)行沖切,獲得特定形狀的極片,然后選擇正極或者負(fù)極極片用隔膜制成封裝袋進(jìn)行保護(hù),然后手工或者疊片機(jī)進(jìn)行疊片,這種工藝的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)引起極片形變,可以采用更厚的電極,但是由于疊片過程是一個(gè)非連續(xù)的過程,因此疊片工藝的生產(chǎn)效率比較低,采用這種工藝的廠家比較少;

第三種是Z型疊片工藝,這種工藝采用連續(xù)隔膜,將沖切好的正負(fù)極極片放置在隔膜中間,這種工藝在保留了疊片工藝的優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,也加速了生產(chǎn)過程,提高了生產(chǎn)效率,目前也有比較多的應(yīng)用。

生產(chǎn)好的電芯首先要焊接極耳,極耳焊接方式主要是采用超聲焊接工藝,采用卷繞工藝生產(chǎn)的電芯,受到電芯結(jié)構(gòu)的限制單個(gè)電芯無法做的很厚,因此通常會(huì)將2-4個(gè)電芯并聯(lián)焊接極耳,疊片工藝生產(chǎn)的電池結(jié)構(gòu)上沒有限制,因此一般都是單個(gè)電芯焊接極耳。下一步就到了入殼工序,焊接好極耳的電芯外表裹上保護(hù)膜后,裝入到電池外殼之中,入殼后需要把極耳與電池殼的蓋子上的正負(fù)極極柱采用超聲焊、鉚接等工藝連接在一起,然后將電池的上蓋和外殼通過激光焊接焊在一起。

在完成焊接后,通常還需要進(jìn)行檢漏,并將其中漏率不合格的電池剔除,常見的檢漏方法包括直壓、倍壓和差壓等方法,良好的密封性是保證鋰離子電池性能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵,因此電池檢漏也是方形動(dòng)力電池生產(chǎn)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

經(jīng)過檢漏篩選的電池接下來就到了非常重要的注液工序,由于鋰離子電池的電解液對(duì)水分十分敏感,因此注液過程必須在干燥間內(nèi)部進(jìn)行,為了改善電解液的浸潤(rùn)效果,通常需要進(jìn)行真空注液。

電解液充分浸潤(rùn)的電池隨后進(jìn)入到了化成工序,化成主要是通過對(duì)電池進(jìn)行小電流的充放電,對(duì)電池進(jìn)行活化。

此外,由于電解液分解過程中通常會(huì)發(fā)生產(chǎn)氣的問題,產(chǎn)生的氣體可能會(huì)積累在電芯內(nèi),導(dǎo)致電解液浸潤(rùn)不充分,因此有的廠家為了將化成過程中的產(chǎn)氣排出,也會(huì)將電池封口安排在化成之后。

化成后的電池還需要進(jìn)行老化,所謂的老化就是將滿電態(tài)的電池在一定的溫度下進(jìn)行擱置,擱置過程中由于鋰離子電池內(nèi)部的一些副反應(yīng),會(huì)導(dǎo)致電池的外電壓和內(nèi)阻的變化,通過對(duì)電池組的電壓、內(nèi)阻和容量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控,能夠剔除掉那些自放電不合格和內(nèi)阻不合格的電池,以提高單體電池的一致性,同時(shí)老化結(jié)果也是后續(xù)的電池組匹配的重要參考依據(jù),為了加速電池老化的速度,提高生產(chǎn)效率,廠家通常會(huì)在高溫(50-60℃)下進(jìn)行老化,以縮短電池老化時(shí)間。

電池模塊和電池組的組裝

單體電池完成老化后就進(jìn)入到模塊組合的階段,在組合之前要首先進(jìn)行篩選,也就是測(cè)試單體電池的容量、動(dòng)態(tài)內(nèi)阻和電壓等數(shù)據(jù),盡量選擇各個(gè)參數(shù)一致的電池進(jìn)行匹配。

一個(gè)大的電池組通常會(huì)由多個(gè)電池模塊組成,每個(gè)電池模塊則由多只單體電池通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合而成,串聯(lián)能夠提升電池模塊的電壓,并聯(lián)能夠提升電池模塊的容量,在為電池模塊進(jìn)行單體電池匹配時(shí)遵循的原則一般是串聯(lián)優(yōu)先考慮容量,以減少電池組在充放電過程中容量較低的模塊發(fā)生過充或者過放。并聯(lián)則優(yōu)先考慮內(nèi)阻,避免在大電流充放電的過程中因?yàn)殡娏鞣植疾痪斐傻膬?nèi)阻較小的電池發(fā)生過充或者過放。

在完成了單體電池的匹配后,就進(jìn)入到了電池模塊的組合工序,這一工序通常是將匹配好的單體電池固定到電池組的模塊結(jié)構(gòu)件之中,然后利用匯流排將單體電池的電極極柱連接在一起。

雖然電池組中的單體電池都經(jīng)過了精心的匹配,單體電池的容量和內(nèi)阻的一致性都非常好,但是在循環(huán)的過程由于單體電池衰降速度的不一致,也會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)單體電池出現(xiàn)電壓偏差,為了減少電池組內(nèi)單體電池不一致性的問題,通常我們還會(huì)在電池組內(nèi)加入均衡器,在電池組內(nèi)部分單體的電壓偏差達(dá)到一定程度時(shí),我們會(huì)啟動(dòng)均衡器讓電池組內(nèi)的單體電池恢復(fù)一致。

均衡器按照工作原理一般可以分為耗散型均衡和非耗散型均衡,耗散型均衡結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,就是直接將電池組中電壓較高的電池放電,電能轉(zhuǎn)化為熱量耗散到環(huán)境之中,非耗散型均衡則比較復(fù)雜,電壓較高的單體電池電量會(huì)通過均衡器給電壓較低的電池充電,從而實(shí)現(xiàn)單體電池之間電壓的均衡。

電池組的溫度管理也是不容忽視的一部分,溫度是影響鋰離子電池性能的一個(gè)關(guān)鍵因素,特別是在電池組內(nèi)電池眾多的情況下,在充放電發(fā)熱的影響下,很容易導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度分布不均勻,影響電池組的電性能和可靠性。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電池組的不一致性

根據(jù)用戶的需求,一個(gè)動(dòng)力電池組通常由數(shù)個(gè)電池模塊組成,這些模塊通過串聯(lián)的方式連接在一起對(duì)外供電,滿足不同使用場(chǎng)景的需求。

此外,我們還需要為電池組安裝管理系統(tǒng),也就是我們通常所說的BMS,BMS的主要功能是控制電池組的充放電,防止電池發(fā)生過充或者過放等問題,此外還需要管理電池組的均衡系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng),提升電池組的性能和壽命。為了提升動(dòng)力電池組的安全性,我們還會(huì)在電池組內(nèi)加入一些熱失控預(yù)警和阻斷裝置,以減少電池組熱失控造成的危害。