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4680電池是特斯拉新一代直徑為46毫米、高度為80毫米的圓柱形電池,特斯拉也是全球20大軟包電池制造商之一。與其他圓柱形電池相比。
4680電池采用了無電極電池接線片的設計,也被稱為全電池接線片。電池直接從正極/陰極上的集流器中汲取電流,這大大增加了電流路徑,縮短了接線片之間的距離,從而大大提高了電池功率。事實上,方形繞線電池也具有全電池接線片設計結構。
全電池接線片設計
如圖所示,在方繞動力鋰電池的結構設計中,提高電池率的常用方法是改變集電器中的電流路徑,增加電池接線片的載流面積。主要有兩種方案:一種是全電池接線片設計方案,另一種是多電池接線片的設計方案。
全電池接線片方案不需要對未涂覆的集電器進行模切,正極或負極的空白部分通過超聲波焊接到電池接線片上,組裝和焊接過程更簡單。本文簡要介紹了全電池接線片方繞電池的組裝工藝。
彎曲的
當電池用全電池接線片纏繞時,電池接線片和隔膜的布置如圖所示。正極材料(40)的坯料側(14)分別焊接在正極和負極導電流體上作為接線片,正極和負極片由隔膜(170)分隔,并且正極和負極分別從繞組芯的兩側泄漏。陰極集流器通過集流器直接連接到電池的正極和負極。
從電池接線片的角度來看,提高了電池的功率特性,使電流流動的距離短,并且在高速率下電流密度分布均勻,可以實現(xiàn)電池接線片高功率密度和小發(fā)熱。
在纏繞過程中,對隔膜施加一定的張力,以確保陽極片、隔膜和陰極片之間的有序性。
隔膜在膠帶行進方向上的收縮較大,這將導致隔膜嚴重擠壓電池接線片,導致電池芯在纏繞后變形。
如圖所示,這可能會導致自放電快、容量低、循環(huán)性能差等質量問題,較厚的繞組會出現(xiàn)明顯的變形問題。
此外,松散狀態(tài)下電芯厚度的一致性差會影響電芯插入過程,增加過程的難度,并可能在進入外殼時對電芯造成損傷。因此,卷繞張力的控制是非常重要的。
在纏繞工藝實驗中,鐵芯需要進行大量的測試以確保產(chǎn)品質量,主要包括:
單元格的尺寸
包括高度、寬度、厚度、膠帶寬度和位置、坯料收集器的均勻性等。這些尺寸可以直接測量,并與纏繞過程和設備的精度有關。
電池接線片和隔膜的長度
為了使從陽極擴散的鋰離子在陰極中具有相應的接收和嵌入晶格,陰極必須完全包裹陽極并具有一定的尺寸余量。為了避免短路的發(fā)生,隔膜必須被陰極包裹。
卷繞電池必須確保陰極在長度方向上與陽極相比有余量,隔膜也必須包裹陰極。電池接線片的相對位置非常重要,包括隔膜的長度、正極和陰極之間的相對位置以及與陰極的相對尺寸。電池接線片的涂層規(guī)格、纏繞工藝等都會影響尺寸。
電池接線片寬度
在寬度方向上,陰極需要超過陽極一定的余量,隔膜需要超過陰極一定的余量。寬度方向上的對準由卷繞過程的精度決定。當精度高時,余量尺寸較小,電池能量密度較高。
然而,為了避免潛在的安全隱患并降低電池的安全系數(shù),必須確保工藝的準確性。芯的每一層的電池接線片的對準通常通過芯的所有四個角上的X射線來檢測。當正極和負極之間寬度的相對尺寸不符合要求時,設備會自動報警并拒收缺陷產(chǎn)品。
繞組鐵芯的質量
在電池接線片的加工過程中,會對單面涂層、漏箔等有缺陷的電池接線片進行標記,纏繞時會將單個電池接線片卷曲拋出。
然而,有缺陷的電池接線片仍然經(jīng)常出現(xiàn)在繞組芯中,可以檢查繞組芯的質量,以消除不合格的產(chǎn)品,這可以進一步確保質量。
質量檢查異常的主要原因是電池接線片加工過程中產(chǎn)生的缺陷產(chǎn)品,如涂層表面密度不符合要求、單面涂層、電池接線片存在膠帶等缺陷。
電池接線片可去除毛刺
電池接線片切割機會長期磨損,影響切割效果。因此,刀具需要進行壽命管理,并定期檢查切割質量,避免產(chǎn)生毛刺。切割毛刺的一般觀察過程是:取切割電池片,在光學顯微鏡下觀察切割表面,檢測是否有毛刺。
關于毛刺控制標準,通常毛刺的尺寸小于隔膜厚度的一半,但一些制造商的控制要求更嚴格,并且毛刺不超過涂層。
堆芯內(nèi)部的其他缺陷
如電池接線片彎曲、陰陽表面涂層、異物等。
堆芯預壓縮
正極和負極電池接線片和隔膜通過繞組組裝成基本繞組芯。然后,細胞通常被預加應力并成形。
芯體通過至少一次熱壓和/或至少一次冷壓成形。預壓縮成型過程如下:將纏繞或層壓的細胞放置在模板上,設置增壓缸的壓力和模板的溫度,
然后,上下模板在一定的壓力和溫度下對單元格進行成型,使單元格的厚度一致,降低單元格的彈性,降低單元格合格率,確保成品單元格厚度的一致性。
熱壓溫度為70~100℃,時間為30~120s,芯壓為0.1~1MPa。電池熱成型的主要目的包括:
(1) 提高鋰離子電池的平整度,使電池的厚度符合要求,具有較高的一致性。
(2) 消除隔膜的褶皺,排出電池內(nèi)部的空氣,使隔膜與電池正負極耳片緊密貼合,縮短鋰離子的擴散距離,降低電池內(nèi)阻。
在預壓工藝實驗中,檢測項目主要包括電池接線片是否斷裂、隔膜厚度、透氣性變化等;電池的厚度是否滿足進入外殼的要求等。
隔膜上的微孔結構是離子進出正極和陰極的重要通道。隔膜的透氣性將直接影響電池的性能。隔膜的透氣性是指隔膜在一定的時間壓力下通過的氣體量。
如果隔膜的透氣性不好,會影響鋰離子在正極和負極之間的轉移,從而影響鋰離子電池的充放電。
在熱壓過程中,隔膜可能會被嚴重壓縮,隔膜的厚度變化很大,導致微孔堵塞,用肉眼觀察隔膜會變得透明。傳輸
如果線圈式電池接線片相對較脆,則電池在熱壓成型過程中容易發(fā)生粉末掉落甚至斷裂,這將增加電池的內(nèi)阻,因為電子傳輸受到限制。
細胞熱成型必須避免這種情況的發(fā)生。這兩個方面要求熱壓壓力越小越好,時間越短越好。
另一方面,熱壓成型必須使細胞成形,細胞的厚度滿足工藝要求,降低細胞的彈性,并確保成品細胞厚度的一致性。因此,需要對壓力、時間和溫度等工藝參數(shù)進行優(yōu)化。
耐壓絕緣試驗
通常,當電池被熱壓成型時,同時對電池進行絕緣耐壓測試,以檢測電池內(nèi)部是否存在微短路。如果電池內(nèi)部有微小的金屬異物顆粒,當電池被按下時,電池隔膜被刺穿,很容易檢測到微短路缺陷產(chǎn)品。
絕緣耐壓試驗通常使用安全儀表。在測試過程中,儀器向電池施加電壓,該電壓持續(xù)指定的一段時間,然后檢查泄漏電流是否保持在指定的范圍內(nèi),并判斷電池的正極和負極沒有短路。通常,施加的電壓如圖所示:
① 在特定時間t1內(nèi),向電池施加從0到U的電壓。
② 電壓U被維持一段時間直到t2。
③ 測試完成后,切斷測試電壓,對電池的雜散電容進行放電。
在測試中,由于正極和負極電池接線片彼此靠近,只有隔膜分開15-30μm,裸電池內(nèi)部會形成一定的電容(雜散電容)。
由于電容的存在,測試電壓必須從“零”開始緩慢上升,以避免充電電流過大。電容越大,斜坡上升時間t1就越長,并且可以一次增加的電壓就越低。
當充電電流過大時,肯定會引起測試人員的誤判,使測試結果不正確。一旦被測電池的雜散電容充滿電,只剩下實際的泄漏電流。由于直流耐壓試驗會給被測電池充電,因此一定要在試驗后對被測電池進行放電。
隔膜具有一定的耐壓強度。當負載電壓過高時,隔膜肯定會被擊穿,并形成泄漏電流。因此,首先,電池絕緣測試電壓應低于擊穿電壓。如圖所示,當正極和負極之間沒有異物時,在測試電壓下,泄漏電流小于規(guī)定值,判斷電池合格。
如果正極和陰極之間有一定尺寸的異物,隔膜會被擠壓,正極和陰極的距離會減小,正極和負極之間的擊穿電壓會下降。如果仍然施加相同的電壓,則泄漏電流可能超過設定的報警值。
通過設置測試電壓等參數(shù),可以統(tǒng)計分析判斷電池內(nèi)部異物的大小,然后根據(jù)實際產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)和質量要求,設置測試參數(shù),制定質量判斷標準。
在測試中,主要參數(shù)包括電壓上升時間t1、電壓保持時間t2、負載電壓U和警報泄漏電流。如上所述,t1和U與單元的雜散電容有關。電容越大,斜坡上升時間t1就越長,并且負載電壓U就越低。
此外,U還與隔膜本身的耐壓強度有關。通常,隔膜越薄,耐壓強度越低,測試電壓U也應該更低。報警電流設置需要考慮電容器充電電流。充電電流越大,報警電流應該越大,否則會造成誤判,合格的產(chǎn)品會被判定為不合格,從而影響產(chǎn)品合格率。
當隔膜的含水量較大時,很容易形成較大的漏電流。如圖所示,如果測試電池內(nèi)部有異物,將導致內(nèi)部短路,隔膜將被擊穿。
因此,裸電池的絕緣耐壓測試是產(chǎn)品工藝檢驗的重要環(huán)節(jié),可以檢測出不合格產(chǎn)品,提高最終電池產(chǎn)品的安全系數(shù)。實際測試需要考慮參數(shù)設置、判斷標準等諸多因素。
蓄電池接線片焊接
如圖所示,組裝頂蓋,通過激光焊接或電阻焊接將正極空白集電器和正極母線焊接在一起。
將陰極毛坯集電器和陰極母線焊接在一起。當設計容量相對較大時,兩個繞組芯可以并聯(lián)連接。
焊接時,可以先將多個繞組芯并聯(lián)焊接在一起,也可以將每個繞組芯單獨焊接(例如,將兩個繞組芯分別焊接在232條母線上),并在激光焊接后將多個卷芯并聯(lián)連接。
焊接工藝需要根據(jù)集電器材料、形狀、厚度、張力要求等選擇合適的激光和焊接工藝參數(shù),包括焊接速度、波形、峰值、焊頭壓力等,設置合理的焊接工藝參數(shù)以確保最終焊接效果符合動力電池的要求。
頂蓋如圖所示。其結構主要由頂蓋板、電池正負極接線片、防爆裝置、液體注入孔等組成。通常,電池接線片部分包括翻轉裝置(OSD)、電流切斷結構(CID)和短路裝置。(保險絲)和其他機構。
通常,在電池的頂蓋上有兩個電池接線片穿孔,分別對應于正極電池接線片和負極電池接線片。并與頂蓋片電絕緣,并且在負極電池接線片附近設置短路部件。
當動力電池的內(nèi)部壓力增加時,短路部分向上移動,使動力電池的正極和負極形成回路,回路中產(chǎn)生大電流,使連接部分熔斷,從而切斷主電路。
將絕緣膜包裹在外殼中
在激光焊接和外殼之間包裹一層絕緣膜,并用絕緣膜覆蓋焊接電池接線片的繞組芯,如圖所示,包括:
(1) 與正極和負極母線接觸的絕緣膜的厚度應較大,例如不小于0.1mm;(2) 繞組鐵芯上其余絕緣膜的厚度可以更薄,例如0.05mm。然后,將鐵芯放入外殼中,如圖11所示。
頂蓋激光焊接
頂蓋和外殼通過激光焊接在一起,如圖所示。激光焊接具有能量密度高、功率穩(wěn)定性好、焊接精度高、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點。
頂蓋密封焊縫是方形鋁電池中最長的焊縫,也是焊接時間最長的一條焊縫。焊接速度相對較低,焊縫的熱循環(huán)時間相對較長,熔池有足夠的時間流動和凝固,保護氣體可以很好地覆蓋熔池,很容易獲得光滑、飽滿、一致的焊縫。
加快焊接熱循環(huán)時間縮短,金屬的熔化過程更激烈,飛濺增加,對雜質的適應能力會更差,更容易形成飛濺孔。同時,熔池凝固時間的縮短會導致焊縫表面粗糙一致。減少
當激光光斑較小時,熱輸入不大,可以減少飛濺,但焊縫的深度和寬度相對較大,焊縫寬度不夠;當激光光斑較大時,需要輸入較大的激光功率來增加焊縫的寬度。但同時,會導致焊接飛濺增加,焊接表面成形質量變差。
具體工藝參數(shù)包括:
一次注射
對于第一次注入,注入體積為總電解質的80%。注射機首先排空電解液以去除氣泡,然后排空電池室,然后在壓力下注入氮氣。在電池內(nèi)部,電解液會自動注入電池兩次。
抽真空
液體注入完成后,將電池抽真空3分鐘,使電解質完全滲透。
室溫下站立
電解液繼續(xù)滲入電池接線片的孔隙中。
開啟預充電
充放電設備放置在環(huán)境露點為-60°C的預充電室內(nèi),利用室內(nèi)排風機排風,不斷補充干燥空氣。預充電程序為0.2C充電60min,SOC約為20%。
二次加注
注入總電解質體積的20%,并再次抽真空2分鐘。
鋰電池電解質的作用是在正極和負極之間傳導離子,充當充電和放電的介質,就像人體的血液一樣。如何將電解液充分、均勻地滲透到鋰電池中已成為一個重要問題。
因此,液體注入過程是一個非常重要的過程,它直接影響電池的性能。液體注入分為兩個步驟:1)液體注入,將電解液注入電池;2) 滲透,將注入的電解質吸收到電池單元中,這非常耗時,并大大增加了鋰離子電池的生產(chǎn)成本。
如圖所示,電解液通過定量泵注入密封室,電池被放入液體注入室,然后真空泵將液體注入室抽空,電池內(nèi)部也形成真空環(huán)境。
然后將噴嘴插入電池注入口,打開電解液注入閥,用氮氣將電解液室加壓至0.2-1.0Mpa,保持一定時間,然后將注入室排氣至常壓。
最后,讓它靜置很長一段時間(2-36h),這樣電解液就可以被電池的正極和負極材料以及隔膜充分滲透。當注射完成時,電池被密封,電解液理論上會從電池頂部滲透到隔膜和電極中。
但事實上,大量電解液向下流動并聚集在電池底部,然后通過毛細管壓力滲透到隔膜和電極的孔隙中,如圖所示。
通常,隔膜由多孔親水材料組成,孔隙率通常相對較大,而電極由各種顆粒組成的多孔介質組成。一般認為,電解質在隔膜中的滲透速度比在電極中的快,因此電解質的流動過程應首先滲透到隔膜中,然后通過隔膜滲透到電極中,如圖所示。
如圖所示,電解質在電極孔中擴散的機制可以看作三種力之間的相互作用:來自電解質流的壓力Fl、由表面張力Fs引起的毛細管力和由孔中空氣引起的阻力Fg。
當注入液體時,排空電池可以減少空氣產(chǎn)生的阻力,在壓力下注入電解質可以增加液體流動的驅動力。因此,真空加壓注射有利于電解液的滲透。
在鋰離子電池的第一次充放電(預充電)過程中,電解質在陰極表面被還原,不溶性還原產(chǎn)物沉積在陰極材料表面以形成鈍化層。
也就是說,固體電解質界面膜(SEI),這種鈍化膜具有固體電解質的特性,是電子的絕緣體,但卻是Li+的優(yōu)良導體,并且Li+可以通過鈍化層自由插入和提取。
SEI膜開始形成的電壓不是固定的,它可以是2V、1V或0.8V;而且SEI膜將在電池的充電和放電循環(huán)期間連續(xù)形成,
它還與許多因素有關,如陽極材料、電解質成分、添加劑、充電速率、溫度等。同時,預充電反應會產(chǎn)生一些氣體,如乙烯、氫氣和一氧化碳。
方形電池內(nèi)部的殘余氣體對厚度有很大影響,因此必須將預充電產(chǎn)生的氣體排出。預充和排氣一般有兩種方式:一種方式是在預充過程中用膠帶和橡膠套棉粘住注液孔,負壓密封時一次性排出氣體;
另一種方法是在預充電過程中打開注入孔,以允許氣體自由排放。這種方法對環(huán)境溫度和濕度要求較高,需要較大的投資,但工藝相對簡單。
封閉式工藝在密封過程中有很大的氣流,會沖洗出電解液,沖洗量無法控制。然而,當打開過程被預先填充時,氣體被緩慢地排出,并且電解質不會被帶出,并且在密封過程中沒有電解質被排出,并且注入體積的一致性良好。
將電池充滿電,解剖電池后觀察電池接線片的外觀。發(fā)現(xiàn)封閉式工藝電池接線片表面有很多污漬,開放式工藝電池接片表面非常干凈,鋰離子不能通過氣泡,并且在陰極片的表面上發(fā)生不均勻的電化學反應。
在打開過程的預充電過程中,氣泡被釋放,鋰離子在陰極表面均勻反應,電極表面的顏色顯示出良好的一致性,并且SEI膜形成得相對致密。
為了提高鋰離子電池的生產(chǎn)效率,有必要優(yōu)化電池預充電電流和時間,以便在最短的時間內(nèi)將電池中的氣體完全排出。預充排氣過程為:預充SOC約為30%(0.2C,1.5h),預充后真空度為10min,真空度為-96KPa。
注射口焊接
用膠釘密封電池注入口的開口,蓋上鋁注入塞,然后將注入塞焊接到電池的頂蓋上進行密封,使電池內(nèi)部完全密封。焊接質量與電池的密封性有關。焊接不良會導致電池泄漏、鋰沉淀和電池外觀不良。
對于目前的激光密封設備,CCD拍攝效果和焊接波形設置對焊接有一定的影響;合理設置保護氣體類型和保護氣體參數(shù),可以提高焊縫的均勻性和寬度;清潔,減少雜質和異物的引入,可以有效降低焊渣產(chǎn)生的概率。
在機械配合方面,間隙配合優(yōu)于過盈配合。先點焊后連續(xù)焊接的方法可以在很大程度上解決間隙配合時的翹曲問題;增加對注射孔凹面平臺傾角的尺寸控制可以提高焊接熔深。焊接速度、輸出功率和光斑直徑的一致性是影響焊接強度的主要工藝參數(shù)。
最后,電池經(jīng)過成型(電池經(jīng)過幾個完整的充電和放電程序)和老化(在45°C的4.0V充電狀態(tài)下儲存7天,然后在25°C下儲存2天,然后進行分選),以完成制造過程。