鋰電池制造工藝及裝備 課件 第5-3 后段制造設(shè)備

5-3電池后段制造設(shè)備鋰電制造工藝及裝備鋰電制造工藝及裝備制造業(yè)工程基礎(chǔ)—標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力電池疊片機(jī)電池故事—李縝123統(tǒng)一鞋號(hào)，以腳長為基準(zhǔn)（單位cm）:21.5、22、22.5、23、23.5、24、24.5、25……標(biāo)準(zhǔn)與人們的生活息息相關(guān)車輛及道路標(biāo)志1.04

依據(jù)ISO/IEC指南2:2004《標(biāo)準(zhǔn)化和相關(guān)活動(dòng)的通用詞匯》，GB/T20000.1-2014《標(biāo)準(zhǔn)化工作指南第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化和相關(guān)活動(dòng)的通用詞匯》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)所下的定義是：

“為在一定的范圍內(nèi)獲得最佳秩序，經(jīng)協(xié)商一致制定并經(jīng)一個(gè)公認(rèn)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，共同使用和重復(fù)使用的一種規(guī)范性文件?！保康模@得最佳秩序＊原則－－協(xié)商一致＊程序－－公認(rèn)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)＊對(duì)象－－重復(fù)事物＊性質(zhì)－－規(guī)范性文件

標(biāo)準(zhǔn)定義注：標(biāo)準(zhǔn)宜以科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的綜合成果為基礎(chǔ)，以促進(jìn)最佳的共同效益為目的。

1.0＊一定的范圍內(nèi)（地域范圍和專業(yè)范圍）當(dāng)前，標(biāo)準(zhǔn)化的范圍不斷拓展標(biāo)準(zhǔn)的分類及范圍1.0

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不僅取決于自然資源、金融資本、硬件技術(shù)的數(shù)量和規(guī)模，而是在很大程度上依賴于知識(shí)或有效信息的積累和使用，依賴科技創(chuàng)新能力，依賴于標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略的實(shí)施。在經(jīng)濟(jì)全球一體化的今天，國力之爭是市場之爭，市場之爭是企業(yè)之爭、企業(yè)之爭是技術(shù)之爭、技術(shù)之爭最終歸結(jié)為標(biāo)準(zhǔn)之爭，因?yàn)榧夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)比技術(shù)本身更重要，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的背后隱含的是專利和市場。

標(biāo)準(zhǔn)化的作用1.0鋰電制造工藝及裝備制造業(yè)工程基礎(chǔ)—標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力電池疊片機(jī)電池故事—李縝123無定型碳：350mAh/g硅碳材料：1000mAh/g鋰、預(yù)鋰：1000mAh/g無定型碳：400mAh/g硅碳材料：1200mAh/g鋰、預(yù)鋰：3000mAh/g石墨材料：360mAh/g無定型碳：280mAh/g硅碳材料：800mAh/g磷酸鐵鋰：170mAh/g三元材料：210mAh/g富鋰固溶體300mAh/g:磷酸鐵鋰：185mAh/g三元材料：220mAh/g富鋰固溶體300mAh/g磷酸鐵鋰：165mAh/g三元材料：200mAh/g富鋰固溶體280mAh/g2020:300Wh/Kg

2025:400Wh/Kg

2030:500Wh/Kg正極：三元、富鋰氧化物固溶體，

特性：壓實(shí)密度大，硬脆；負(fù)極：硅碳負(fù)極，鋰負(fù)極，膨脹20-30%（純硅300%）；這些材料的制造特性：卷繞縫隙產(chǎn)生的根源正極負(fù)極2.0方形卷繞電池的GAP問題平壓電芯的單向膨脹和收縮正負(fù)極收縮膨脹的不一致，導(dǎo)致卷繞電芯充放電循環(huán)過程中GAP的不斷增大。帶縫隙，鋰沉積、析鋰、鋰失去活性（死鋰）。微小縫隙2.0菱形卷針電芯壓扁帶來的問題壓扁前后厚度變化：0.707mm0.762mm，增大：7.8%（間隙出現(xiàn)）2.0方形卷繞與圓形卷繞的循環(huán)曲線圓形電池沒有容量快減區(qū)間方形電池容量開始快速衰減2.0方形卷繞內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化安全UL剖析的波音787電池問題2.0卷繞電池變形的機(jī)理極片的膨脹與收縮，隔膜拉伸變形2.0卷繞與疊片—卷繞的變形2.0電池內(nèi)部粉塵與間歇的細(xì)微變化任何導(dǎo)致缺陷的因素都會(huì)帶來不安全。缺少電液帶來問題2.0循環(huán)充放后卷繞電池卷繞方型電池充放電100次后折返處的極片掉粉情況。正極負(fù)極隔膜2.0方形卷繞電池的變形與缺陷2.0動(dòng)力圓柱4680電池的問題極片膨脹---內(nèi)部接觸松緊變化、不均勻，極耳端面移位。焊接缺陷--虛焊、焊透燒隔膜、焊接飛濺充電循環(huán)，極片膨脹交變應(yīng)力，旋轉(zhuǎn)拉扯極耳。32130-GAIA循環(huán)后極耳撕裂2.1電池變形對(duì)電池性能的影響內(nèi)部變形的電池：內(nèi)部縫隙參與反應(yīng)少生成鋰支晶長大刺穿隔膜

2.1原理級(jí)理解理想電池結(jié)構(gòu)—全片式疊片正極、負(fù)極，隔膜完全切片堆疊2.2電池疊片方式與疊片效率序號(hào)疊片方式特點(diǎn)要求效率1全片式疊片正、負(fù)極、隔膜全部切成片，然后交叉堆疊；1.5-1.8s/pcs(多工位）2Z字形疊片正、負(fù)極切成單片；隔膜折成Z字形；1.2-1.8s/pcs3制袋式疊片將隔膜和一個(gè)電極制袋，然后疊片；1.2-1.8s/pcs4卷繞式疊片正、負(fù)極切成單片；隔膜間歇卷繞；0.8-1.0s/pcs5卷繞式負(fù)極連續(xù)疊片正極切片、隔膜和負(fù)極連續(xù)，隔膜、負(fù)極間歇卷繞；0.4-0.6s/pcs6負(fù)極連續(xù)式復(fù)合疊片正極切片、負(fù)極連續(xù)，隔膜、負(fù)極折成Z字形；0.1-0.2s/pcs7極片全切斷復(fù)合式疊片正極，負(fù)極和隔膜一起復(fù)合成一個(gè)小單元，然后疊片0.1-0.2S/PCS2.2疊片電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)阻容易做小；容量相對(duì)高；極片變形?。浑娊庖簼B透好；對(duì)極片柔性要求低；容量可以做大一些；可以做較厚的電芯；缺點(diǎn)：邊緣多、毛刺難以控制；自放電偏大；連片問題不能杜絕；料盒對(duì)極片的傷害；制造效率低、設(shè)備投入偏大；2.2疊片電池的制造難點(diǎn)毛刺控制:（目前激光是經(jīng)濟(jì)和可靠的辦法）切割毛刺控制10微米以下；表面粉塵控制5微米以下，滿足10萬凈化等級(jí)；極片分片的粘連；極片和料盒的擦傷極片隔膜變形Z形疊片隔膜會(huì)在0-幾十倍隔膜承受力之間變化，導(dǎo)致電池不均勻；尋求更高的制造效率：

希望疊片效率節(jié)拍小于：0.1-0.2s。即300-600PPM2.2疊片視頻Ｚ形疊片的特點(diǎn)Z型疊片的主要問題隔膜張力每次從零到最大，導(dǎo)致隔膜拉伸不一致，起始小，后面大（部分屬性變形）；隔膜擺軸不對(duì)稱時(shí)，隔膜變形不一致；只能單片疊，效率提升難。2.2隔膜的拉伸及扭曲變形隔膜變形：Z形疊片隔膜會(huì)在零-幾十倍隔膜承受力之間變化，導(dǎo)致隔膜拉伸變形，電池不均勻；

2.2ZFold與隔膜拉伸曲線2.2Z形疊片—機(jī)理說明隔膜變形隔膜材料：不同性能隔膜彈性模量不一樣設(shè)備運(yùn)行：拉力不一致隔膜擺軸（或疊片臺(tái)移動(dòng)）的不對(duì)稱導(dǎo)致隔膜兩邊擺時(shí)的拉伸不同隔膜張力變化很大（每疊一片都是從零到最大），不同機(jī)器由于摩擦、慣量和電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能不同，導(dǎo)致隔膜變形不一致，目前至少差20%需要擺動(dòng)隔膜，放極片，避讓隔膜的角度交替進(jìn)行，疊片效率難提升Z型疊片無法避免隔膜變形問題隔膜張力：500-1000g隔膜厚度需求20um15um12um9um7um2.2隔膜測試—不同拉力循環(huán)對(duì)Z型疊片的影響拉伸策略為：三個(gè)循環(huán)受力，即從0→給定力→0→給定力→0→給定力→0，受力變化5N/s結(jié)論：在交變力作用下，不同的幅值引起不同的回彈特性，導(dǎo)致隔膜的不均勻。要求疊片隔膜的張力也要均勻。交變力幅值第一個(gè)循環(huán)損失的回彈應(yīng)變第二個(gè)循環(huán)損失的回彈應(yīng)變20N4.8%6.3%10N1.6%2.3%2.2隔膜測試—拉伸前后孔隙率變化本實(shí)驗(yàn)樣品為兩種：原隔膜，受22N，5N/s的受力交變拉伸五次后的隔膜結(jié)論：拉伸后，總孔體積降低，平均孔徑縮小13%比較項(xiàng)原隔膜拉伸后的隔膜總孔體積[cm3g-1]0.31810.3099平均孔徑[nm]72.02771.914比表面積[m2g-1]17.66417.235拉伸前拉伸后對(duì)比具體數(shù)據(jù)得出在拉伸前，樣品中數(shù)量最多的孔是53.04nm左右的孔，且孔徑分布相對(duì)集中，該孔徑的微孔數(shù)量多于其他孔徑的微孔。隔膜拉伸后，樣品中數(shù)量最多的孔是46.13nm左右的孔，但是與鄰近孔徑的微孔數(shù)量相比，在占比上并沒有表現(xiàn)突出2.2全片式疊片要解決的是：毛刺、效率、監(jiān)控問題正極、負(fù)極，隔膜完全切片堆疊更多是解決制造技術(shù)問題原理級(jí)理解動(dòng)力電池的最終結(jié)構(gòu)—全片式疊片2.3高速復(fù)合疊片工藝制成過程張力恒定、隔膜沒有不均勻拉伸電芯界面平整正負(fù)極完全物理隔斷，安全性高。2.4吉陽復(fù)合疊片研發(fā)路徑

歷時(shí)4年潛心研發(fā)，四代技術(shù)創(chuàng)新迭代第一代(2016)第二代(2018)第三代(2020)第四代(2021)疊片原理圖2.4高速復(fù)合疊片機(jī)單工作臺(tái)480PPM（0.125s/pcs）輔助時(shí)間0

電芯長度MAX600mm新能源行業(yè)ASML的第一個(gè)革命產(chǎn)品-單工作臺(tái)年產(chǎn)1GWh2.4復(fù)合疊片機(jī)—核心技術(shù)四大核心技術(shù)高速擺疊并行追切安全檢測閉環(huán)控制精度控制高速制片的基礎(chǔ)高速、高精度的疊片電芯全過程控制通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需要的精度2.4核心技術(shù)-高速復(fù)合疊片機(jī)精度控制+高速擺疊通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高速、高精度的疊片電芯精度設(shè)計(jì)保證通過控制極片片寬精度、極片間距精度可實(shí)現(xiàn)電芯精度設(shè)計(jì)可控100%疊片速度提升自由式擺疊，精度可控，疊片速度高無輔助時(shí)間電芯切換無需輔助時(shí)間2.4成為新能源行業(yè)的ASMLBecomeASMLofnewenergyindustry核心技術(shù)-高速復(fù)合疊片機(jī)安全檢測閉環(huán)控制電芯全過程控制光源CCD相機(jī)調(diào)節(jié)裝置相機(jī)反光鏡復(fù)合單元疊片臺(tái)過程在線檢測在線檢測判斷極片、隔膜Overhang邊緣值實(shí)時(shí)顯示，存儲(chǔ)可追溯疊臺(tái)對(duì)齊度檢測疊臺(tái)上布置4組CCD閉環(huán)控制與切刀組件配合，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制2.4未來--高速復(fù)合疊片機(jī)單工作臺(tái)800PPM輔助時(shí)間0

電芯長度MAX600mm新能源行業(yè)ASML的第一個(gè)革命產(chǎn)品---單工作臺(tái)年產(chǎn)2GWh2.5鋰電制造工藝及裝備制造業(yè)工程基礎(chǔ)—標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力電池疊片機(jī)電池故事—李縝123電池故事—李縝及國軒高科3.0李縝，