鋰離子電池是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰電池型號，具有電芯制造自動化水平高、電池一致性好、單體電芯能量密度高、散熱性好等優(yōu)點。本文將介紹鋰離子電池的電芯制造工藝，并分析電芯制造各工序的控制點及其對電池電氣性能的影響。

 

鋰離子電池工作原理

鋰離子電池主要由陰極、陽極、隔膜和電解質(zhì)組成，并依靠Li+在陰極和陽極之間移動來工作。充電時，Li+從陰極脫嵌，通過電解質(zhì)插入陽極，陽極處于富鋰狀態(tài)；放電時情況正好相反。

 

 

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)主要由四種主要材料組成。同時，一個完整的18650電池還包括輔助材料，如陰極和陽極引線、上下絕緣片、蓋板和外部鋼殼。

 

鋰離子電池單元制造工藝

鋰離子電池單體的制造過程十分復(fù)雜，有許多工序。任何環(huán)節(jié)的錯誤都會影響鋰離子電池的性能或帶來安全問題。因此，只有嚴格控制每一個電池單元的制造過程，我們才能制造出性能和安全性都很好的合格電池。

鋰離子電池單元制造的前端工藝包括漿料混合、涂覆、軋制、分切、片材、纏繞、脫殼、底部焊接、輥槽和烘烤10個工藝。上述工藝的核心是將粉末狀的陰極和陽極材料制成繞組芯。在生產(chǎn)過程中，要防止誤焊、偏焊、漏焊或極片碎裂、絕緣膠部分或漏焊等。

卷繞過程是形成圓柱形鋰電池的一個重要過程。帶狀陰極和陽極極片以及隔板通過纏繞機纏繞成圓柱形芯。這種工藝控制的關(guān)鍵點是陽極極片必須完全覆蓋陰極極片，分離器必須完全覆蓋陽極極片，這對工藝精度要求非常高。

 

 

鋰電池的制造過程相對復(fù)雜。主要的電池單體制造工藝主要包括電極生產(chǎn)的攪拌和涂覆階段（前階段）、電池合成的繞組液體注入階段（中期）以及電池成型包裝的包裝和測試階段（第二階段）。

與鋰電池單體制造前端工藝相對應(yīng)的鋰電池設(shè)備主要包括真空攪拌機、涂布機、輥壓機等。中間工藝主要包括模切機、卷繞機、堆垛機、液體注射機等。后臺工藝包括成型機、體積測試設(shè)備，過程倉儲和物流自動化等。除此之外，電池組的生產(chǎn)還需要電池組自動化設(shè)備。

 

鋰電池單元制造前段生產(chǎn)工藝

鋰電池單體制造前端工藝的結(jié)果是完成鋰電池陰極和陽極的制備。第一個過程是攪拌，即將陰極和陽極固體電池材料均勻混合，加入溶劑，并通過真空攪拌器將其攪拌成漿料。配料的攪拌是鋰電池后續(xù)工藝的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的攪拌是高質(zhì)量完成后續(xù)涂層和軋制工藝的基礎(chǔ)。

涂層和軋制過程之后是縱切，也就是說，對涂層進行縱切過程。如果在分切過程中產(chǎn)生毛刺，那么在隨后的組裝、電解液注入等程序中，甚至在電池使用過程中都會存在安全隱患。

 

 

因此，鋰電池生產(chǎn)過程中的前端設(shè)備是電池制造的核心機器，關(guān)系到整個生產(chǎn)線的質(zhì)量。因此，在整個鋰電池自動化生產(chǎn)線中，前端設(shè)備的價值占比最高，約為35%。

 

鋰電池單元制造中期工藝

在鋰電池單體的制造過程中，中間工序主要是完成電池的成型。主要工藝包括片材生產(chǎn)、極片纏繞、模切、電池纏繞和層壓成型等。這是中國設(shè)備制造商目前競爭激烈的領(lǐng)域，約占鋰電池生產(chǎn)線價值的30%。

目前，動力鋰電池的電池芯制造工藝主要包括纏繞和層壓，相應(yīng)的電池結(jié)構(gòu)主要為圓柱形、方形和袋狀。圓柱形和方形電池主要通過卷繞工藝生產(chǎn)，而袋狀電池主要通過層壓工藝生產(chǎn)。

氣缸主要以18650和26650為代表（特斯拉已經(jīng)自主研發(fā)了21700電池，正在全行業(yè)推廣）。方形和軟包的區(qū)別在于，外殼由硬鋁外殼和鋁塑膜制成。其中，軟包主要基于層壓工藝，鋁殼主要基于纏繞工藝。

 

 

軟包結(jié)構(gòu)主要面向中高端數(shù)字市場，單位產(chǎn)品的利潤率相對較高。在同等產(chǎn)能下，相對利潤高于鋁殼電池。由于鋁殼電池容易形成規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)品合格率和成本也容易控制，目前兩者在各自的市場領(lǐng)域都有可觀的利潤。在可預(yù)見的未來，它們很難被完全取代。

由于纏繞工藝可以通過轉(zhuǎn)速實現(xiàn)電池的高速生產(chǎn)，而疊層技術(shù)所能提高的速度是有限的，因此目前我國動力鋰電池主要采用纏繞工藝。因此，目前纏繞機的出貨量大于堆垛機。

與卷繞和層壓生產(chǎn)相對應(yīng)的前一道工序是極膜制作和模切。制作包括切割后焊接極片/極耳、除塵極片、粘貼保護膠紙、纏繞極耳或定尺切割。復(fù)卷極片用于后續(xù)的自動纏繞，定長切割極片用于隨后的半自動纏繞。下料電極片是將切割好的電極片進行卷繞和下料，以便進行后續(xù)的層壓工藝。

在鋰電池封裝和焊接方面，中國主流的激光技術(shù)集成和應(yīng)用制造商都參與其中，可以滿足需求，不需要進口。

 

鋰電池制造后端流程

鋰電池單體制造的后端生產(chǎn)流程主要包括體積分離、化學(xué)形成、測試、包裝和儲存四個流程，約占生產(chǎn)線價值的35%。形成和容量分離是后端過程中最重要的環(huán)節(jié)，對活性電池進行活化測試。由于電池的充放電測試周期較長，因此設(shè)備的值最高。

 

 

成型過程的主要功能是對液體注射包裝后的電池單元進行充電和活化，容量分離過程是對電池活化后的電池容量和其他電氣性能參數(shù)進行測試并進行分類。成型和體積分離由成型機和體積分離機進行，通常通過自動體積分離和形成系統(tǒng)。

 

鋰電池組工藝

動力電池組系統(tǒng)是一種串聯(lián)和并聯(lián)連接許多單個電池的電池組，并集成了電源和熱管理等電池硬件系統(tǒng)。電池組是動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)、設(shè)計和應(yīng)用的關(guān)鍵，是連接上游電池生產(chǎn)和下游汽車應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。

通常設(shè)計要求由電池廠或汽車廠提出，通常由電池廠、汽車廠或第三方PACK廠完成。

 

 

鋰電池組生產(chǎn)線相對簡單。核心工藝包括送料、支架粘貼、電焊、檢測等工藝。核心設(shè)備是一臺激光焊機和各種粘貼測試設(shè)備。目前，各大鋰電池設(shè)備制造商在該領(lǐng)域的自動化集成布局較少，而激光設(shè)備制造商由于在激光領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢，在封裝設(shè)備領(lǐng)域的份額相對較高。

 

磷酸鐵鋰與三元電池技術(shù)

目前，我國主流動力鋰電池的正極材料分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩種。其中，磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料，其循環(huán)壽命通常在2000次以上。再加上行業(yè)成熟導(dǎo)致價格和技術(shù)門檻的下降，由于各種因素，許多制造商會使用磷酸鐵鋰電池。

然而，磷酸鐵鋰電池在能量密度方面存在明顯缺陷。目前，領(lǐng)先的磷酸鐵鋰電池公司比亞迪磷酸鐵鋰單電池的能量密度為160Wh。到2023年底，比亞迪將把能源密度提高到180Wh。理論上，磷酸鐵鋰的能量密度很難超過200Gwh。

 

 

三元聚合物鋰電池是指以鎳鈷錳氧化物為正極材料的鋰電池。鎳鈷錳的實際比例可以根據(jù)具體需要進行調(diào)整。

由于三元鋰電池的能量密度更高，乘用車市場開始轉(zhuǎn)向三元鋰，磷酸鐵鋰在安全要求更高的乘用車中更受歡迎。隨著全電動乘用車的發(fā)展，三元鋰電池正占據(jù)著越來越重要的地位。

兩種材料的能量密度和成本不同，不同的汽車和不同的車企有不同的選擇。兩者的生產(chǎn)過程大致相同。差異主要體現(xiàn)在材料的使用和比例上，具體工藝參數(shù)差異較大，設(shè)備無法在同一條線上生產(chǎn)，簡單的產(chǎn)能轉(zhuǎn)換和切換成本較高。因此，在產(chǎn)能規(guī)劃中，多家電池工廠將同時部署和單獨采購設(shè)備。