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1、锂离子动力电池专用制造设备简介一、 锂离子电池概述锂离子电池又称锂电池，锂电池分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)2 类。从技术来看，聚合物锂电池比液态锂电池更具优势。锂离子电池结构见下图：锂电池是迄今商业化使用的二次化学电源中性能最为优秀的电池，这也是促进锂电池用于电动汽车的一个关键因素。各种电池性能对比见下表：当前国内外锂电池生产厂家，主要有美国的A123、江森自控(JohnsonControls)；中国的比亚迪、韩国的LG化学，而仅仅日本就有东芝、日立制作所、日本电气(NEC)、GSYuasa、丰田汽车和松下电器产业的合并公司Panasonic EV Energy等十
2、来家相关企业。而在电动汽车用锂电池领域，据德意志银行调研显示，整车企业最愿意与以下10家企业合作开发汽车锂电池：1)JohnsonControls-Saft(美国江森自控和和法国Saft的合资公司)；2)A123系统公司(由麻省理工学院、通用电气等投资成立)；3)LG化学(该公司在美国有子公司CompactPower)；4)EnerDel(Ener1和德尔福的合资公司)；5)AESC(日产和NEC的合资公司)；6)PEVE(丰田和松下的合资公司)；7)GS汤浅；8)日立；9)三洋电机；10)三星。我国锂离子电池产量全球第一，生产量占世界总量的1/3以上，拥有100 多家锂电生产企业，不少厂商都
3、计划在今后2 年内把产量大幅提高。目前，中国锂电制造企业形成了液态锂电池以比亚迪为首，聚合物锂电以TCL 电池为首的两大巨头。二、锂离子电池制造过程：锂电池厂家每家的工艺都有一些差别，但是主要工艺有：配料，涂布，辊压，裁片，分条，焊接极耳，卷绕，封装，烘烤，注液，化成，成型，分容检测等工步。每一步的时间都有差别，一般的配料，烘烤，化成时间比较长，可能会要10-48小时。其他工艺比较快，在4-8小时。全部流程总共大概需要15天。主要工艺介绍如下：1） 配料：用专门的溶液和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。2） 涂漠：将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔表面
4、，烘干后制成正负极片。3） 装配：按正极片-隔膜-负极片-隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，在经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池装配过程。制成成品电池。4） 化成：用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测。筛选出合格的成品电池待出厂。涂布过程所涂浆料的宽度、厚度、间隙长度、浆料宽度等对电池质量较为重要；极片制成的极片辊压，所辊压极料的厚度也要严格控制；注液时注液精度要求较高，否则会对电池容量、内阻造成很大影响；化成分容设备问题不太大，关键过程中真空抽气机一方面要保证抽气干净，同时也要注意设备性能维护，特别是电解液腐蚀问题。三、锂离子电池制造关键设备
5、3.1 锂电池生产设备概览：据介绍，随着国内锂电池市场容量逐年加大，在近五年时间里，锂离子电池设备需求量平均每年增长100% 以上。离子动力电池专用制造设备近年来发展异常迅速，发展方向基本上是专用化、全自动和高精度三个方面。具体可归为以下几点：1、将电池的制造工艺技术、参数融入到设备的设计和制造之中，使设备真正成为保障电池生产厂独特工艺技术能够实现的专机。2、由于动力电池制造过程中电池极片的产量很大，对极片生产设备的自动化和高效率提出了更高的要求。3 、由于动力电池多为成组使用，电池一致性要求高，对电池极片制造设备的使用稳定性和精度要求更高，投料后保证极片产品的批次稳定性，提高在每道工序生产的
6、半成品的Cp 值和Cpk 值。4、对设备设计的安全性、防爆性能和三废排放将有更严格的标准。5、要求在设备的设计和制造过程中严格杜绝有害金属离子进入到极片半成品和成品中。6、在更换电池规格时，设备应便于调整，同时，便于维修和维护。国内主要的锂电池设备厂家有北京七星电子、西安泰格尔机电、深圳泰合盛等；国际上包括日本平野、日本西村、美国江森等；3.2 主要关键设备介绍l 真空搅拌机：动力电池由于极片量大，需要搅制大量的电池正负极浆料，为了尽量保证电池的一致性，必须保证同一批次浆料的一致性，这就要求搅拌机向大容量型发展，同时解决以下关键技术：高速状态下，存在腐蚀性气体的真空密封技术；搅拌形式必须使整个
7、搅拌过程无死点并尽量避免搅拌过程中产生局部温升，浆料粉料粒度分布要求均匀。国外锂离子电池厂认为搅拌工艺在锂离子电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于30%，是整个生产工艺中最重要的环节。国外新型锂离子电池专用搅拌机在高速搅拌拐上采用多级冲动叶轮，即在一根高速轴上安装多个有倾斜叶片的叶轮，叶片长度几乎延伸到器壁或挡板。国外的搅拌机多是实现自动供料配料的搅拌系统，能够实现粉料、粘结剂、溶剂的自动配比，避免搅拌过程中人为的干扰因素，便于搅拌工艺流程的精确控制，保证浆料批次的一致性和稳定性。l 极片涂布机：涂布机构主要由涂布辊、背辊、刮刀辊以及其各自驱动系统组成。涂布机通过涂辊、刮刀辊和背辊协调工
8、作把浆料涂敷在铜箔或者铝箔上，涂敷的厚度、均匀性是由涂辊与刮刀之间的间隙、背辊与涂辊的速度协调程度等多方面因素决定的。极片涂布机是极片制造工艺的关键工艺之一，影响涂布质量的因素很多，包括涂布头的制造精度、设备运行速度平稳性、运动过程中动态张力控制、烘干过程风量风压大小及温度曲线控制等。成功解决极片浆料涂布的关键之一是选择合适的涂布方法。锂离子电池极片涂布的特点是：双面单层涂布；浆料湿涂层较厚(100300 m)；浆料为非牛顿型高粘度流体；涂布支持体为厚度1020 m的铝箔或铜箔，但极片涂布所特有的要求必须有特殊的技术才能解决。据此，国内外80% 以上涂布机的涂布方式如下图：目前国际上主要采用日
9、本平野的涂布机，涂布速度8-10m/min，烘干区间30-40m；国内涂布机的涂布速度3-5m/min，烘干区间10-12m。日本机型中，烘干方式上采用上下进风、侧回流的“悬浮式”烘干方式，避免极片在箱体内的磨擦；在涂布方式上采用喷涂方式(Slit Dia)，以保证涂布的均匀性，该项技术国内厂家尚未拥有，是今后国内厂家需要研究的课题。针对动力电池极片涂布质量的更高需求，因此必须加强对如下技术的研究：浆料粘度与涂布速度，烘干温度曲线的关系；设备运行过程中运行速度偏差和动态张力的控制；涂布方式如：转移涂布技术、喷涂技术（Slit Dia）；烘干方式和烘干温度曲线、风量、风压对涂布质量的影响；全自动
10、总线控制技术；新材料、新工艺在设备的关键部件的应用。l 正负极片滚压机：国内外主流设备均采用极片连续轧制的方式，即放卷（含自动纠偏）、切边（含除尘）、滚压和收卷的极片密实方式。动力电池极片滚压机未来主流机型应为辊径800 1000毫米，辊面宽度600700 毫米，最大轧制压力200300吨，极片轧制速度大于1215米/分钟。轧辊为硬度大于HRC64 的微米级高精度电镀镜面复合辊，国外在滚压机液压系统上采用了液压伺服系统设计，使轧机能够对极片进行恒压力和瞬间变间隙的轧制。根据锂离子动力电池工艺要求，极片轧制工序要解决以下问题：降低极片在轧制过程中的延展率，并减少微孔架构的破坏；轧制后提高极片表面
11、材料的密实度，并保证极片轧制后平整度；减少极片在轧制后表面材料的反弹；l 分切机：分切机主要完成按电池规格，对经过碾压的电池极片进行分条的工序。目前电池电芯的制造工艺主要有卷绕和叠片两种工艺方法，对极片的主要技术要求是分条后的极片不能出现褶皱、脱粉，分条尺寸精度高等，同时极片边缘的毛刺小，否则在毛刺上会产生枝晶刺破隔膜，造成电池内部的短路。今后发展的趋势必须要求对如下关键技术做进一步的研究：对极片边缘的毛刺控制技术及极片运行过程中的张力控制技术；由于极片分切对切刀的磨损，因此对分切刀片材料、工艺的研究；设备的全自动控制技术。目前国际上主流机型为日本西村专门为电池极片分条开发的机型。该机型实现了自动分切及除尘功能，并配有自动放卷、纠偏、张力控制、自动收卷、切刀系统、控制系统，基本满足电池工艺的要求。四、产业发展的结论及建议1、动力锂电池生产设备本身的制造虽然存在一定难度，但主要难点体现在设备与电池生产工艺的结合上。深圳比亚迪结合自己工艺特点，就自制了部分关键设备，这反映出设备制造商与电池制造商结合的重要性与必要性。2、由于锂离子电池制造设备属于典型机电一体化设备，也融合了化工生产工艺的特殊要求，建议以现有机床制造企业为主，电池生产厂家提供工艺辅助，继续深入探索产品制造的可能性。例如上海机床厂有限公司及西恩迪蓄电池有限公司。
