鋰電池在傳統領域主要應用于數碼產品,在新能源長足發展的今天,普遍應用于動力電池、儲能領域。

電池技術本身并不怎么高深莫測,基本原理就是氧化還原反應。但能量載體們涉及到的具體化學過程千變萬化。具體到實際應用中涉及到材料學、無機化學、有機化學、物理、表面、界面、熱力學、動力學、工程機械加工、電子電路技術等交織在一起的諸多問題。

氧化還原反應

鋰離子電池是一個復雜的體系,包含了正極、負極、隔膜、電解液、集流體和粘結劑、導電劑等,涉及的反應包括正負極的電化學反應、鋰離子傳導和電子傳導,以及熱量的擴散等。

一般而言,鋰離子電池的開發分為幾個周期,首先是實驗室內的基礎研究,這一部分主要是適用扣式半電池,或者簡單的軟包電池,這一步主要的目的是測試材料和配方的性能,因為電池的結構沒有進行優化,因此這里得到的結果并不能直接應用在生產上。

在進行了實驗室級別的初步測試和評估后,好的材料和配方就會轉移到下一個階段——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(正負極的涂布量)和快充、倍率等特性,并發現在大規模生產過程中可能面臨的工藝問題,及時做出調整。通過上述的過程,完善了電池配方和生產工藝后,成熟的產品才能最終投入正式生產。

由于影響鋰離子電池性能的因素眾多,因此設計和生產或接的每一個參數都會對電池最終的電性能和安全性產生重大的影響,因此我們有必要深入了解材料、設計和工藝參數對于產品最終性能的影響。

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、熱穩定性、循環壽命是動力鋰電池的5個關鍵指標,三元材料,錳酸鉀與磷酸鐵鋰任何一個在這5個方面都不具有絕對優勢,導致動力鋰電池極材料路線的差異。

一款電池的設計要首先從材料的選擇開始,需要根據目標需求,例如能量密度、倍率特性、循環壽命和安全等指標,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構的LiFePO4,這種材料更加適合應用在對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用在純電動汽車上,尖晶石結構的LiMN2O4則更加適合應用在混合動力汽車上。

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

為了改善正負極的導電性,通常還需要在其中添加少量的導電劑,目前最常見的導電劑為炭黑類材料,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%的粘結劑,目前的粘結劑主要分為兩大類一類是油系粘結劑,另一大類是水系粘結劑。

電池的四個部件非常關鍵:正極(放電為陰極),負極(放電為陽極),電解質,膈膜。正負極是發生化學反應的地方,重要地位可以理解。但是電解質有啥么用處?做功還很占重量。

電池內部,金屬鋰在負極失去電子被氧化,成為鋰離子,通過電解質向正極轉移;正極材料得到電子被還原,被正極過來的鋰離子中和。電解質的理想作用,是運送且僅運送鋰離子。電池外部,電子從負極通過外界電路轉移到正極,中間進行做功。理想情況下,電解質應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,電子無法在電池內部從負極轉移到正極;只有存在外界電路時,電子轉移才能進行。

單體電池的生產

第一步,單體電極的生產

混:將電極活性材料、粘結劑、溶劑等混合在一起,充分攪拌分散后,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”流程是一個高耗能環節,如能改善該環節,即可降低鋰電池的正負極生產成本。

鋰離子電池的勻漿是鋰離子電池生產的關鍵環節,勻漿環節主要是將活性物質、粘結劑和導電劑等成分混合成為均勻的懸濁液,通常我們會首先將粘結劑分散成為膠液,然后有一些工藝會首先將導電劑與膠液分散成為導電膠,然后與活性物質混合。

有的工藝會將導電劑和粘結劑一起與膠液進行混合,勻漿的關鍵在于如何將漿料中的各個成分分散均勻,為了達到這一目標需要對勻漿工藝進行優化,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了大量的改善漿料分散行的助劑。

第二步,單體電池的生產

在完成了上述的電極烘干過程后,我們就進入到了鋰離子電池生產的下一個環節——單體電池的生產。

壓:輥壓是對已涂好的正負極材料進行軋壓使其壓實更好的依附在鋁箔或銅箔上。

切:分切是對已軋壓好的極片按工藝標準分切成條。

為了防止烘干后的電極再次吸收水分,整個單體電池生產環節都需要在干燥間內進行。

方形動力電池電芯的生產工藝主要有三大類,一種是卷繞工藝,這種工藝一般應用在圓柱形電池的生產上,目前也應用在方形電池的生產工藝上,這種工藝的主要優勢是生產效率高,可以實現連續生產,缺點也很明顯,由于電芯邊緣處彎曲角度比較大,因此容易發生電極破碎,產生缺陷,特別是在厚電極的情況下,這一問題將變的更加嚴重;

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

第三種是Z型疊片工藝,這種工藝采用連續隔膜,將沖切好的正負極極片放置在隔膜中間,這種工藝在保留了疊片工藝的優勢的基礎上,也加速了生產過程,提高了生產效率,目前也有比較多的應用。

生產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,采用卷繞工藝生產的電芯,受到電芯結構的限制單個電芯無法做的很厚,因此通常會將2-4個電芯并聯焊接極耳,疊片工藝生產的電池結構上沒有限制,因此一般都是單個電芯焊接極耳。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期穩定可靠的關鍵,因此電池檢漏也是方形動力電池生產中必不可少的一個環節。

經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水分十分敏感,因此注液過程必須在干燥間內部進行,為了改善電解液的浸潤效果,通常需要進行真空注液。

電解液充分浸潤的電池隨后進入到了化成工序,化成主要是通過對電池進行小電流的充放電,對電池進行活化。

此外,由于電解液分解過程中通常會發生產氣的問題,產生的氣體可能會積累在電芯內,導致電解液浸潤不充分,因此有的廠家為了將化成過程中的產氣排出,也會將電池封口安排在化成之后。

化成后的電池還需要進行老化,所謂的老化就是將滿電態的電池在一定的溫度下進行擱置,擱置過程中由于鋰離子電池內部的一些副反應,會導致電池的外電壓和內阻的變化,通過對電池組的電壓、內阻和容量等指標進行監控,能夠剔除掉那些自放電不合格和內阻不合格的電池,以提高單體電池的一致性,同時老化結果也是后續的電池組匹配的重要參考依據,為了加速電池老化的速度,提高生產效率,廠家通常會在高溫(50-60℃)下進行老化,以縮短電池老化時間。

電池模塊和電池組的組裝

單體電池完成老化后就進入到模塊組合的階段,在組合之前要首先進行篩選,也就是測試單體電池的容量、動態內阻和電壓等數據,盡量選擇各個參數一致的電池進行匹配。

一個大的電池組通常會由多個電池模塊組成,每個電池模塊則由多只單體電池通過串聯和并聯的方式組合而成,串聯能夠提升電池模塊的電壓,并聯能夠提升電池模塊的容量,在為電池模塊進行單體電池匹配時遵循的原則一般是串聯優先考慮容量,以減少電池組在充放電過程中容量較低的模塊發生過充或者過放。并聯則優先考慮內阻,避免在大電流充放電的過程中因為電流分布不均造成的內阻較小的電池發生過充或者過放。

在完成了單體電池的匹配后,就進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構件之中,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過了精心的匹配,單體電池的容量和內阻的一致性都非常好,但是在循環的過程由于單體電池衰降速度的不一致,也會導致電池組內單體電池出現電壓偏差,為了減少電池組內單體電池不一致性的問題,通常我們還會在電池組內加入均衡器,在電池組內部分單體的電壓偏差達到一定程度時,我們會啟動均衡器讓電池組內的單體電池恢復一致。

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,耗散型均衡結構最簡單,就是直接將電池組中電壓較高的電池放電,電能轉化為熱量耗散到環境之中,非耗散型均衡則比較復雜,電壓較高的單體電池電量會通過均衡器給電壓較低的電池充電,從而實現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關鍵因素,特別是在電池組內電池眾多的情況下,在充放電發熱的影響下,很容易導致電池組內溫度分布不均勻,影響電池組的電性能和可靠性。

實驗驗證電池組的不一致性

根據用戶的需求,一個動力電池組通常由數個電池模塊組成,這些模塊通過串聯的方式連接在一起對外供電,滿足不同使用場景的需求。

此外,我們還需要為電池組安裝管理系統,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和熱管理系統,提升電池組的性能和壽命。為了提升動力電池組的安全性,我們還會在電池組內加入一些熱失控預警和阻斷裝置,以減少電池組熱失控造成的危害。