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史上*全電池制造過程

日期:2019-09-08 09:13
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摘要: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。

一顆電芯是如何誕生的?

電芯是一個電池系統的*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

攪拌就是将活性材料通過真空攪拌機攪拌成漿狀。這是電池生産的**道工序,該道工序質量控制的好壞,将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複雜,對原料配比,混料步驟,攪拌時間等等都有較高的要求。


這裡攪拌的是電池的活性材料。


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緻性産生影響,在甯德時代的生産車間對粉塵的管控水平相當于醫藥級别。


将攪拌好的漿料塗在銅箔上——塗布工序

這道工序就是将上一道工序後已經攪拌好的漿料以每分鐘80米的速度被均勻塗抹到4000米長的銅箔上下面。而塗布前的銅箔隻有6微米厚,可以用“薄如蠶翼”來形容。


塗布至關重要,需要保證極片厚度和重量一緻,否則會影響電池的一緻性。塗布還必須确保沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片。否則會導緻電池放電過快,甚至會出現安全隐患。


将銅箔上負極材料壓緊再切分——冷壓與預分切

在碾壓車間裡,通過輥将附着有正負極材料的極片進行碾壓,一方面讓塗覆的材料更緊密,提升能量密度,保證厚度的一緻性,另一方面也會進一步管控粉塵和濕度。


将冷壓後的極片根據需要生産電池的尺寸進行分切,并充分管控毛刺(這裡的毛刺隻能在顯微鏡下看清楚了)的産生,這樣做的目的是避免毛刺紮穿隔膜,産生嚴重的安全隐患。


切出電池上正負極的小耳朵——極耳模切與分條

極耳模切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,極耳就是從電芯中将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。


完成電芯的雛形——卷繞工序

在這裡,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,确保電芯極片不錯位。


有了CCD視覺檢測設備的輔助,CATL甯德時代的電池生産車間在國際上屬于自動化程度*高的電池生産車間之一。


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内部水份達标,确保電池在整個壽命周期内具有良好的性能。


而注液,就是往電芯内注入電解液。電解液就像電芯身體裡流動的血液,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,會導緻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

化成是對注液後的電芯進行激活的過程,通過充放電使電芯内部發生化學反應形成SEI膜(SEI膜:是锂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。),保證後續電芯在充放電循環過程中的安全、可靠和長循環壽命。将電芯的性能激活,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”後第二次灌注電解液、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産品性能。


所有制造好後的每一個電芯單體都具有一個單獨的二維碼,記錄着出生日期,制造環境,性能參數等等。強大的追溯系統可以将任何信息記錄在案。如果出現異常,可以随時調取生産信息;同時,這些大數據可以針對性地對後續改良設計做出數據支持。



讓電芯不再“裸奔” 電池包生産流程

單個的電芯是不能使用的,隻有将衆多電芯組合在一起,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)是由衆多電芯組成的。需要通過嚴格篩選,将一緻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的模組全自動化生産産線,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别碼,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産過程也是相當複雜,需要多道工序,一點不比電芯的制造過程簡單。


上料

将電芯傳送到制定位置,機械手自動抓取送入模組裝配線。


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甯德時代采用的是等離子處理技術保證清潔度)。這裡采用離子清潔,保證在過程中的污染物不附着在電芯底部。


為什麼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*為徹底的剝離式清洗方式,其*大優勢在于清洗後無廢液,*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複雜結構的清洗。


将電芯組合起來——電芯塗膠

電芯組裝前,需要表面塗膠。塗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甯德時代采用國際上*先進的高精度的塗膠設備以及機械手協作,可以以設定軌迹塗膠,同時實時監控塗膠質量,确保塗膠品質,進一步提升了每組不同電池模組的一緻性。


給電芯建個家——端版與側闆的焊接

電池模組多采用鋁制端闆和側闆焊接而成,通過機器人進行層壓和端闆、側闆焊接處理。


線束隔離闆裝配

焊接監測系統準确定位焊接位置後,綁定線束隔離闆物料條碼至MES生産調度管理系統,生成單獨的編碼以便追溯。打碼後通過機械手将線束隔離闆自動裝入模組。


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。标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内*佳适合空間和預定位置。


每個電池包包含了若幹電池單元,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。



電池組的**考驗 電池組安全性測驗

其實,電動汽車從*初的設計階段就要通過各種方法,*大程度保證安全性。然而,再上乘的設計還得經過實踐測試的考量。在甯德時代,隻有成功通過這些磨練的電池産品,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麼概念?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标準是外部燃燒130秒,電池不起火、不爆炸。然而,作為行業領軍企業CATL甯德時代卻有着更高的要求,不僅做到了外部燃燒130秒後電池依然可以正常工作,的國家标準,更達到了在590攝氏度的情況下連續燃燒1小時後,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,免不了要通過一些颠簸路面,電池産生的振動可能會引發質量不過關的電池産品固定不佳,零部件松動,甚至外殼破裂*後引發安全失效的等情況。


所以我們需要模拟車輛震動對電池包産生的影響。振動台用來模拟電池包在實際使用中會遇到的颠簸路況,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,真實模拟了實車使用時的情景。


甯德時代的一座推力20噸的振動台,用來模拟電池包在實際使用中會遇到的颠簸路況,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,連續随機振動21小時,這樣可等效模拟數十萬公裡的行車疲勞情況。


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,其模拟車輛通過路障時,瞬間颠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甯德時代将電池從1米高度進行自由落體測試,且保證各項功能依然正常。


在甯德時代的沖擊測試中,*高加速度可高達100G。要知道一般人的心髒承受的*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。


*貼近真實事故的擠壓測試

擠壓測試用于模拟電池在交通事故時受到擠壓的情況,随着電池變形程度的增加,正負極集流體會首先被撕裂。在短路點産生非常大的電流,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。


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


在甯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拟一輛12米大巴車撞擊時的擠壓。


自此經過數不清的複雜加工工藝和檢測測試流程,一塊印有CATL LOGO的成品車用電池單元終于誕生了,但是對于質量的把控來說這并沒有結束,為了把控在日常使用時的質量和品質,所有的成品電池和電芯都有自己獨一無二的編碼,如果未來那塊電池甚至那顆電芯出現故障,可以追溯到那條生産線甚至那一批原料。對于電池這種帶有一定危險性的産品來說,質量永遠是*重要的一環。


目前CATL已經形成了從原料的開采到後期回收,一套完善的鍊條體系。而與寶馬、奔馳等國際企業的合作關系,再次證明了其産品的優勢。産品的穩定性和好口碑,是取勝的關鍵,但在新能源行業當中逆水行舟不進則退,未來需要不斷推出有市場競争力的産品,才能始終挺立在業界*高峰。