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寧德時代:電芯生產工藝揭秘

2020-10-21

電芯是一個電池系統的最小單元。多個電芯組成一個模組,再多個模組組成一個電池包,這就是車用動力電池的基本結構。電池就像一個儲存電能的容器,能儲存多少的容量,是靠正極片和負極片所覆載活性物質多少來決定的。正負電極極片的設計需要根據不同車型來量身定做的。正負極材料克容量,活性材料的配比、極片厚度、壓實密度等對容量等的影響也至關重要。


活性材料的制漿——攪拌工序


攪拌就是將活性材料通過真空攪拌機攪拌成漿狀。這是電池生產的第一道工序,該道工序質量控制的好壞,將直接影響電池的質量和成品合格率。而且該道工序工藝流程復雜,對原料配比,混料步驟,攪拌時間等等都有較高的要求。



這里攪拌的是電池的活性材料



寧德時代的攪拌車間對粉塵嚴格管控,此外,在攪拌的這一過程中需要嚴格控制粉塵,以防止粉塵對電池一致性產生影響,在寧德時代的生產車間對粉塵的管控水平相當于醫藥級別。


將攪拌好的漿料涂在銅箔上——涂布工序


這道工序就是將上一道工序后已經攪拌好的漿料以每分鐘80米的速度被均勻涂抹到4000米長的銅箔上下面。而涂布前的銅箔只有6微米厚,可以用“薄如蠶翼”來形容。



涂布工序最重要的是厚度和重量的一致性


涂布至關重要,需要保證極片厚度和重量一致,否則會影響電池的一致性。涂布還必須確保沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片。否則會導致電池放電過快,甚至會出現安全隱患。


將銅箔上負極材料壓緊再切分——冷壓與預分切


在碾壓車間里,通過輥將附著有正負極材料的極片進行碾壓,一方面讓涂覆的材料更緊密,提升能量密度,保證厚度的一致性,另一方面也會進一步管控粉塵和濕度。



冷壓就是將鋁箔上的正負極材料壓緊壓實,這對提升能量密度也很重要


將冷壓后的極片根據需要生產電池的尺寸進行分切,并充分管控毛刺(這里的毛刺只能在顯微鏡下看清楚了)的產生,這樣做的目的是避免毛刺扎穿隔膜,產生嚴重的安全隱患。


切出電池上正負極的小耳朵——極耳模切與分條


極耳切模工序就是用模切機形成電芯用的導電極耳。我們知道電池是分正負極的,極耳就是從電芯中將正負極引出來的金屬導電體,通俗的說電池正負兩極的耳朵,是在進行充放電時的接觸點。



而接下來的分條工序就是通過切刀對電池極片進行分切。


極耳模切簡單說就是做出正負兩極的小耳朵


完成電芯的雛形——卷繞工序


在這里,電池的正極片、負極片、隔離膜以卷繞的方式組合成裸電芯。先進的CCD視覺檢測設備可實現自動檢測及自動糾偏,確保電芯極片不錯位。


卷繞工序后電芯的雛形基本形成


有了CCD視覺檢測設備的輔助,CATL寧德時代的電池生產車間在國際上屬于自動化程度最高的電池生產車間之一。


去除水分和注入電解液——烘焙與注液


水分是電池系統的大敵,電池烘烤工序就是為了使電池內部水份達標,確保電池在整個壽命周期內具有良好的性能。


為了去除水分,電芯需要進行烘烤


而注液,就是往電芯內注入電解液。電解液就像電芯身體里流動的血液,能量的交換就是帶電離子的交換。這些帶電離子從電解液中運輸過去,到達另一電極,完成充放電過程。電解液的注入量是關鍵中的關鍵,如果電解液注入量過大,會導致電池發熱甚至直接失效,如果注入量過小,則又影響電池的循環性。


電芯激活的過程——化成


化成是對注液后的電芯進行激活的過程,通過充放電使電芯內部發生化學反應形成SEI膜(SEI膜:是鋰電池首次循環時由于電解液和負極材料在固液相間層面上發生反應,所以會形成一層鈍化膜,就像給電芯鍍了一層面膜。),保證后續電芯在充放電循環過程中的安全、可靠和長循環壽命。將電芯的性能激活,還要經過X-ray監測、絕緣監測、焊接監測,容量測試等一系列“體檢過程”。



化成工序當中還包括,對電芯“激活”后第二次灌注電解液、稱重、注液口焊接、氣密性檢測;自放電測試高溫老化及靜置保證了產品性能。



所有制造好后的每一個電芯單體都具有一個單獨的二維碼,記錄著出生日期,制造環境,性能參數等等。強大的追溯系統可以將任何信息記錄在案。如果出現異常,可以隨時調取生產信息;同時,這些大數據可以針對性地對后續改良設計做出數據支持。


單個的電芯是不能使用的,只有將眾多電芯組合在一起,再加上保護電路和保護殼,才能直接使用。這就是所謂的電池模組。


電池模組(module)是由眾多電芯組成的。需要通過嚴格篩選,將一致性好的電芯按照精密設計組裝成為模塊化的電池模組,并加裝單體電池監控與管理裝置。CATL的模組全自動化生產產線,全程由十幾個精密機械手協作完成。另外,每一個模組都有自己固定的識別碼,出現問題可以實現全過程的追溯。



從簡單的一顆電芯到電池包的生產過程也是相當復雜,需要多道工序,一點不比電芯的制造過程簡單。


上料


將電芯傳送到制定位置,機械手自動抓取送入模組裝配線。



在寧德時代的車間內從自動搬運材料到為設備喂料100%實現了自動化


給電芯洗個澡——等離子清洗工序


對每個電芯表面進行清洗(CATL寧德時代采用的是等離子處理技術保證清潔度)。這里采用離子清潔,保證在過程中的污染物不附著在電芯底部。


為什么要采用等離子清洗技術?原因在于,等離子清洗技術是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗方式,其最大優勢在于清洗后無廢液,最大特點是對金屬、半導體、氧化物和大多數高分子材料等都能很好地處理,可實現整體和局部以及復雜結構的清洗。


等離子清洗過程


將電芯組合起來——電芯涂膠


電芯組裝前,需要表面涂膠。涂膠的作用除了固定作用之外,還能起到絕緣和散熱的目的。CATL寧德時代采用國際上最先進的高精度的涂膠設備以及機械手協作,可以以設定軌跡涂膠,同時實時監控涂膠質量,確保涂膠品質,進一步提升了每組不同電池模組的一致性。



電芯的涂膠過程



給電芯建個家——端版與側板的焊接


電池模組多采用鋁制端板和側板焊接而成,通過機器人進行層壓和端板、側板焊接處理。



線束隔離板裝配


焊接監測系統準確定位焊接位置后,綁定線束隔離板物料條碼至MES生產調度管理系統,生成單獨的編碼以便追溯。打碼后通過機械手將線束隔離板自動裝入模組。


線束隔離板的安裝過程


完成電池的串并聯——激光焊接


通過自動激光焊接,完成極柱與連接片的連接,實現電池串并聯。



下線前的重要一關——下線測試


下線前對模組全性能檢查,包括模組電壓/電阻、電池單體電壓、耐壓測試、絕緣電阻測試。標準化的模組設計原理可以定制化匹配不同車型,每個模塊還能夠安裝在車內最佳適合空間和預定位置。


每個電池包包含了若干電池單元,與連接器、控制器和冷卻系統集成到一起,外覆鋁殼包裝。通過螺栓自動固緊,由電氣連接器相連,即使發生故障,僅需更換單獨的模組即可,不必更換整個電池組,維修工作量和危險性大大降低,更換模組僅需把冷卻系統拆解,并不涉及其他構件。


其實,電動汽車從最初的設計階段就要通過各種方法,最大程度保證安全性。然而,再完美的設計還得經過實踐測試的考量。在寧德時代,只有成功通過這些磨練的電池產品,才能被放行使用。


590攝氏度火燒測試


590攝氏度火燒電池是什么概念?我們知道金星的地面溫度是464攝氏度,在這樣的高溫下,鉛、鋅等金屬材料早已熔化。但是,電池組卻要在這樣的高溫下進行“生存”挑戰。



在安全性能方面國家的標準是外部燃燒130秒,電池不起火、不爆炸。然而,作為行業領軍企業CATL寧德時代卻有著更高的要求,不僅做到了外部燃燒130秒后電池依然可以正常工作,的國家標準,更達到了在590攝氏度的情況下連續燃燒1小時后,電池依然沒有爆炸危險。


連續21小時振動試驗


在日常用車當中,免不了要通過一些顛簸路面,電池產生的振動可能會引發質量不過關的電池產品固定不良,零部件松動,甚至外殼破裂最后引發安全失效的等情況。



所以我們需要模擬車輛震動對電池包產生的影響。振動臺用來模擬電池包在實際使用中會遇到的顛簸路況,環境箱用來提供不同的溫度環境,充放電機則用以提供充放電的實際工作情況。這三部分組成了帶溫度帶負載的振動測試系統,真實模擬了實車使用時的情景。


寧德時代的一座推力20噸的振動臺,用來模擬電池包在實際使用中會遇到的顛簸路況,但其振動強烈程度更甚于實際路況。在試驗中,電池包一秒鐘要被振動200下,而電芯模組則要被振動2000下。更加嚴苛的是電池包需要在-30℃至60℃的環境條件下,連續隨機振動21小時,這樣可等效模擬數十萬公里的行車疲勞情況。


加速度達到100G的撞擊測試


與振動試驗類似,沖擊測試用以測試電池包的機械結構穩定,其模擬車輛通過路障時,瞬間顛簸對電池包結構的沖擊。此外,在更換電池的過程中有萬分之一的幾率遇到電池跌落的情況。所謂不怕一萬就怕萬一,CATL寧德時代將電池從1米高度進行自由落體測試,且保證各項功能依然正常。



在寧德時代的沖擊測試中,最高加速度可高達100G。要知道一般人的心臟承受的最大加速度為50G。而目前有記錄的,人體能承受的加速度極限約為40G。在如此強烈的加速度沖擊下,電池包依然運行正常。


最貼近真實事故的擠壓測試


擠壓測試用于模擬電池在交通事故時受到擠壓的情況,隨著電池變形程度的增加,正負極集流體會首先被撕裂。在短路點產生非常大的電流,熱量集中釋放,引起短路點的溫度急劇上升,因此很容易引發熱失控,進而引起起火或爆炸。


與現實車禍事故最為貼近的擠壓測試


在擠壓測試找那個電池包外殼出現了明顯的變形,內部結構被破壞,電芯被內部零部件刺破,出現高壓短路,造成熱失控。對于擠壓測試的通過標準一般是不起火、不爆炸。而寧德時代的電池產品,甚至可以再擠壓變形的情況下,繼續正常工作。


在寧德時代的擠壓試驗中,施加給電池包的力是十噸。12米大巴車重量為7噸,加上乘客和行李的重量接近10噸,也就是說這至少可以模擬一輛12米大巴車撞擊時的擠壓。


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