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。