深度解析锂电池生产全流程.docx

深度解析锂电池生产全流程目录前言11 .锂离子电池组成12 .锂电设备介绍22.1.概述22.2.前段工序22.2.1.浆料搅抨设备32.2.2.涂布设备32.2.3,辐压设备32.2.4.分切设备42.2.5.制片设备42.2.6.模切设备62.3.中段工序72.3.1,卷绕设备82.3.2.叠片设备82.3.3.注液机设备92.3.4.电芯封装设备122.4.后段工序122.4.1.化成设备122.4.2.分容设备122.4.3.检测设备13前言随着科技的发展，锂电池已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。从手机、笔记本电脑到电动汽车，锂电池的应用无处不在。而要生产出高质量的锂电池，需要经过前段、中段、后段等多个流程，每一个流程都离不开各种设备的支持。本文将详细介绍这三个流程的主要设备及其作用。1 .锂离子电池组成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，生产过程中涉及有众多工序。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。2 .锂电设备介绍1. 1.概述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4：3：30图1各流程所需设备2. 2.前段工序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、辑压、分切、制片、模切，所涉及的设备主要包括：搅拌机、涂布机、辐压机、分条机、制片机、模切机等。2.2.1.浆料搅拌设备浆料搅拌（所用设备：真空搅拌机），用于混合和均匀分散正负极材料的设备。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、混压等工艺的前序基础。正极/负极入料S3搅拌=3出料桨叶公?专分散盘自转图2搅拌流程2.2.2.涂布设备涂布（所用设备：涂布机），用于将正负极材料涂布到导电剂上的设备。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。图3转移式涂布机原理图4挤压式涂布机原理2.2.3.辐压设备根压（所用设备：辐压机），粗压是指将涂布并烘干到一定程度的锂电池极片进行压实的工艺过程。极片根压后能够增加锂电池的能量密度，并且能够使黏结剂把电极材料牢固地粘贴在极片的集流体上，从而防止因为电极材料在循环过程中从极片集流体上脱落而造成锂电池能量的损失。辐压是锂电池极片制造过程中最关键的工艺之一，其辑压的精度在很大程度上影响着锂电池的性能。辐压是锂电池极片制造过程中最关键的工艺之一，其辑压的精度在很大程度上影响着锂电池的性能。图5辐压机原理2.2.4.分切设备分切（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。该设备可以对各种规格、形状的锂电池进行快速、准确地分条，使其成为锂电池生产线上不可或缺的加工设备。图6分条机原理2.2.5.制片设备制片（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。锂电池制片机，根据使用功能的不同，可分为正极制片机、负极制片机、聚合物制片机锂电池制片机主要工作是将（正/负）极耳焊接到（正/负）极片上，将成卷的极片、极耳和胶带放置到设备上，设备根据设置进行焊接、包胶、贴胶，最后收卷或裁切成片制片机制片机的平面图制片机的流程步骤图制片机的流程图正极片材料主要是锂化合物。负极片材料主要为碳材和非碳材两大类。正极耳使用铝极耳，负极耳使用纯银带极耳或者镀银铜带极耳。铝极耳（正极耳）纯银带极耳（镀银铜带极耳）负极耳正极耳焊接机构用推包胶功能，对正极耳头部贴上一层胶纸；则负极耳焊接机构用压花功能，对负极耳头部压出跟焊点差不多大小的一个印花。推包胶机构（正极）压花机构（负极）。交流滤波器交流接触器三一三二三，48V开关电源2. 2. 6,模切设备模切（所用设备：模切机）是将涂布后极片冲切成型，用于后续工艺。图7模切机原理模切机也叫极片冲切机，是将涂布、分切后的极片冲切成型，用于后续的叠片、卷绕工艺。一般对于卷绕电池，极片根据设计宽度进行分条，而对于叠片电池，极片则相应裁切成片。极片冲切出现毛刺、掉粉、尺寸精度不足等都会对锂电池性能产生影响，稳定性好、精度高的模切设备将很大程度缓解极片冲切缺陷。目前国内锂电模切机基本实现国产化，行业集中度较高。锂电池模切机厂商正在从珠三角、长三角等地区逐步向内陆扩散。主要企业集中在东部沿海地区，如广东亿鑫丰智能装备股份有限公司、深圳吉阳智能科技有限公司、深圳市赢合科技股份有限公司等。表1国内主要锂电池模切机企业序号企业名称1 广东亿鑫丰智能装备股份有限公司2 深圳市原合科技股份有限公司3 大族激光科技产业集团股份有限公司4 深圳吉阳智能科技有限公司5 广东利元亨智能装智股份有限公司6 东莞市威士达智能科技有限公司7 深圳市炫硕箱造技术有限公司8 宁遇嘉用智能设备有限公司9 9Il自动化设缶有限公司制图：共研产业咨询（共研网）伴随着国家新能源产业政策的实施，新能源产业的发展态势已不可逆转。锂离子电池产业作为新能源产业的一部分，其产业规模较大，广阔的发展前景给制造锂离子电池生产设备的企业带来了巨大的市场空间。图82016-2022年中国锂电模切机市场规模极耳是锂电池内部将正负极集流体引出来的金属导电体。极耳成型是在正负极集流体上切出导电体的工艺，是动力电池和部分消费电子电池制造过程的关键工艺之一，一般作为卷绕或者叠片的前工序。传统上，极耳成型主要使用机械模切工艺。机械模切工艺有模具损耗快、换模时间长、灵活性差和生产效率低等局限性，已经越来越不能满足锂电池制造的发展要求。由于激光切割技术的诸多优点，随着高功率、高光束质量纳秒激光器、单模连续光纤技术的成熟，激光极耳切割逐渐成为极耳成型技术的主流。2.3,中段工序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。2.3.1.卷绕设备卷绕（所用设备：卷绕机），锂电池卷绕机是用来卷绕锂电池电芯的，是一种将电池正极片、负极片及隔膜以连续转动的方式组装成芯包的机器。卷绕机有正、负极送料单元，将正负极隔膜卷绕在一起的部分叫卷针。依据卷绕芯包的形状类型不同，卷绕设备可以主要分为方形卷绕和圆柱卷绕两大类。方形卷绕可以细分为方形自动卷绕机和方形制片卷绕一体机两类，方形卷绕出来的电芯主要用来制作动力/储能方形电池、数码类电池等。图9卷绕机原理2.3.2.叠片设备叠片（所用设备：叠片机），将叠片工艺应用于电池极片，提高电池的能量密度和安全性。卷绕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。2.3.3.注液机设备注液机（所用设备：注液机），用于注入电解液至电池极片中，完成电池的电化学反应。图10注液机原理传统锂电池注液生产，往往存在很多方面的问题，其中，电池盒注液孔小就是关键问题。为此，在注液时仅能采取人工注液的方式，不仅效率低下，且安全性也无法得到保证。而自动注液机的应用，则有助于改善上述缺陷。注液孔过小，需要进行人工注液，是导致锂电池生产效率低下的主要原因,为解决这一问题，有关机构研发了自动注液机，与传统人工注液方式相比，使用自动注液机进行注液，不仅效率和精度较高，同时，还能简化操作流程，保证工作人员的安全。因此对此项课题进行研究，具有十分重要的意义。一、锂电池自动注液机设计本文所研究的装置为锂电池自动注液机，其能完成对不同种类锂电池的注液。在基于传统设计经验的基础上，对新型设计理念加以运用，使锂电池注液目标达成，注液过程中的控制方式为PLC控制，可以对电池盒与注液模块进行明确，有利于实现对注液量的控制，与此同时，还能控制其他设施，比如：工作台、开关、负压真空度和注液量等。方形锂电池是该装置所针对的对象，其通过不锈钢材料，制成电池盒，仅在一端开了一个注液孔，其孔径为1.25mm,且体积不同。该装置在研发之初,所要达成的目的就是自动批量完成锂电池注液。二、锂电池自动注液机工作原理在我国早期的锂电池注液生产过程中，电池盒注液孔较为狭窄，因此只能通过人工的力量采用一对一的方式进行注液，但这种方式精度低、工作效率不高、无法获得一定的安全保障。为了改变原有落后的针管注射方式，将进行负压倒吸式注液的方式。锂电池自动注液机的设计理念更加与时俱进，通过采用我国最早的设计思路，运用负压倒吸式自动注液的方式，也就是指使电池盒内部成为负压的状态，用相关零件将电池盒与电解液相互联系，逐渐将电池盒内部与电解液位于的空间形成压强差，借助压强将电解液自动注入电池盒内，以此真正形成自动注液的方式。注液过程主要通过PLC控制，也就是自动化，它具有更高的安全性，还能将电池盒注液部分进行更加精准的定位，并对注液量进行合理、精确的控制，并且还可以控制工作台的工作状态、阀门的开启或关闭、负压真空情况的高低以及注液量的多少等等，以此在更大程度上降低工作人员的工作难度与工作压力，进一步提高生产效率与工作质量。锂电池自动注液机注液工作原理主要是将电池盒倒放在注液板的工作模块内，当气压开始上升箱体就会随之进行变化，上压板配合移动会使电池盒与注液板逐渐压缩并收紧，电池盒内部在注液孔与注液箱的相互配合、作用下形成新的密封空间，在此过程中使注液箱形成真空状态，等电池内部完全形成负压时，开启注液阀门，这时电池液由于压力的不断变化将自动从箱体内进入到注液箱中，关闭注液阀门，真空站受此作用就会通过不断控制缩小压力值，从而使电池液通过吸管不断进入到电池盒内，凭借负压力工作原理完成批量注液的工作。这种注液机可以一次性产生注液的产品为350-600个，并且在工作过程中不会出现重复注液的问题，在最大程度上保证劳动效率以及工作质量，注液具有非常强的一致性，能够对注液的质量提供关键的保障，真正实现了工作效率的提升。由于它的工艺方法更加独特，因此在使用效果方面也具有更关键的使用意义。三、负压倒吸式注液机的原理分析（一）原理介绍锂电池注液机属于负压倒吸式注液机，所谓的负压，主要是指一种气体压力状态，且这种压力不高于常压，这就需要用到我们的真空泵。就实际情况来看，负压在各个领域均拥有广泛的应用，通常会使某部分空间形成负压状态，并在此基础上，利用大气压替代人力。以人体为例，人在呼吸的过程中，肺会随之扩张，在这一过程中，负压便会产生，此时肺的内外部就会形成压差，在力的作用下，外界空气就会进入到肺内。在工业领域，各类工业泵普遍应用了这一原理。而本文研究的倒吸式注液机，就是基于这一原理所研发的新型装置。该装置可以在负压状态下，将锂电池内部抽空，并借助外界大气压，使电池液进入到电池盒内。在向上移动箱体后，使其与电池盒相接触，一个封闭的空间会就此形成。电池盒所处的位置是封闭空间内部，同时，使用注液板，将电池仓和注液箱隔开，并借助注液孔，使电池盒内部空间与封闭空间相连。在这个装置中，真空站的作用是保证整个封闭空间的真空度符合标准。在打开装置的隔离门后，即可将电池盒放入其中，之后，将隔离门关闭。考虑到电解液具有非常大的粘稠度，且张力较强。因此，需要通过试验的方式，对孔径大小进行确定。试验结果表明，在孔径为时，电解液不会因为自重而流出。在具体操作过程中，工作人员应在注液箱内部，将电解液注入进去，在接通氮气后，利用负压，使电解液被自动吸入到电池盒内部，并由注解液盒对电解液吸入量予以控制，从而使定量自动注液的目标达成。该装置的上箱体需要与气缸相连，故能随着气缸的动作而上下移动，最终实现对电池盒的压紧。值得强调的是，自动注液机所选择气缸，具有缓冲装置，故工作平稳性较强，可靠性也能被有效保证。机器的结构为对称结构，采取两台机器交替运作的方式，如果某一个机器出现故障，则另一台机器依然会保持正常工作的状态，仅需单边维修即可。整部机器的密封罩，所采取的设计方式为防尘设计，不仅工作效率高，且维修性也非常强。具体表现为在生产状态下，可以对其进行维修。（二）原理总结总结：本文所研究的锂电池自动注液机，其原理如下：通过倒置的方式，使电池盒被放置于注液板的定位模块之中，在气压的作用下，驱动箱体向上移动，并通过上压板移动，保证电池盒和注液板保持良好的密封性。其中，电池盒内部则通过注液孔形成密封空间，然后对注液箱进行抽空，等到形成负压后,将注液阀打开，在气压差的作用下，电池液会自动进入注液箱，此时，将注液阀关闭，并利用真空站，对负压值进行调节，使其下降，此时，电池也会通过吸管，被注入到电池盒内部，最终完成批量注液作业。试验结果表明，该装置可以同时完成200-500个锂电池产品的注液，且重复注液现象发生的概率为0,使劳动效率大幅度提高，且具有良好的一致性，在确保注液质量的同时，也达成了节能降耗的目的。小结:综上所述，锂电池自动注液机可以在生产中提高工作效率与工作质量，在一定程度上能够降低经济成本费用。锂电池自动注液机在设计过程中全面的考虑到使用者的使用感受以及安全性，在操作上更加容易，安全也可以得到更高的保障，真正从实际工作中做到了整体合理、操作便捷、修理方便以及安全稳定。2.3.4.电芯封装设备电芯封装（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。图12滚槽机原理图14焊接机原理2. 4.后段工序2.4. 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。2.5. 1.化成设备化成（所用设备：充放电机），用于对电池进行充电和放电测试，评估电池的性能和安全性，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（SEl膜），以实现锂电池的“初始化”。2.4.2.分容设备分容（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。2.4.3.检测设备检测（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。锂电池生产离不开锂电池生产设备，其性能由制造工艺和生产设备决定。中国锂电设备企业在技术、效率、稳定性等方面已超越日韩设备企业，并拥有性价比、售后维护等优势。国内锂电设备企业集群形成，成为中国高端装备名片并进入国际市场。随着锂电龙头纵向结盟与出海扩产，锂电设备迎来快速增长的全新机遇期。