锂电池制造工艺及装备 课件 第5-3 后段制造设备

5-3电池后段制造设备锂电制造工艺及装备锂电制造工艺及装备制造业工程基础—标准动力电池叠片机电池故事—李缜123统一鞋号，以脚长为基准（单位cm）:21.5、22、22.5、23、23.5、24、24.5、25……标准与人们的生活息息相关车辆及道路标志1.04

依据ISO/IEC指南2:2004《标准化和相关活动的通用词汇》，GB/T20000.1-2014《标准化工作指南第1部分：标准化和相关活动的通用词汇》对标准所下的定义是：

“为在一定的范围内获得最佳秩序，经协商一致制定并经一个公认机构的批准，共同使用和重复使用的一种规范性文件。”＊目的－－获得最佳秩序＊原则－－协商一致＊程序－－公认机构批准＊对象－－重复事物＊性质－－规范性文件

标准定义注：标准宜以科学、技术和经验的综合成果为基础，以促进最佳的共同效益为目的。

1.0＊一定的范围内（地域范围和专业范围）当前，标准化的范围不断拓展标准的分类及范围1.0

经济的发展不仅取决于自然资源、金融资本、硬件技术的数量和规模，而是在很大程度上依赖于知识或有效信息的积累和使用，依赖科技创新能力，依赖于标准化战略的实施。在经济全球一体化的今天，国力之争是市场之争，市场之争是企业之争、企业之争是技术之争、技术之争最终归结为标准之争，因为技术标准比技术本身更重要，技术标准的背后隐含的是专利和市场。

标准化的作用1.0锂电制造工艺及装备制造业工程基础—标准动力电池叠片机电池故事—李缜123无定型碳：350mAh/g硅碳材料：1000mAh/g锂、预锂：1000mAh/g无定型碳：400mAh/g硅碳材料：1200mAh/g锂、预锂：3000mAh/g石墨材料：360mAh/g无定型碳：280mAh/g硅碳材料：800mAh/g磷酸铁锂：170mAh/g三元材料：210mAh/g富锂固溶体300mAh/g:磷酸铁锂：185mAh/g三元材料：220mAh/g富锂固溶体300mAh/g磷酸铁锂：165mAh/g三元材料：200mAh/g富锂固溶体280mAh/g2020:300Wh/Kg

2025:400Wh/Kg

2030:500Wh/Kg正极：三元、富锂氧化物固溶体，

特性：压实密度大，硬脆；负极：硅碳负极，锂负极，膨胀20-30%（纯硅300%）；这些材料的制造特性：卷绕缝隙产生的根源正极负极2.0方形卷绕电池的GAP问题平压电芯的单向膨胀和收缩正负极收缩膨胀的不一致，导致卷绕电芯充放电循环过程中GAP的不断增大。带缝隙，锂沉积、析锂、锂失去活性（死锂）。微小缝隙2.0菱形卷针电芯压扁带来的问题压扁前后厚度变化：0.707mm0.762mm，增大：7.8%（间隙出现）2.0方形卷绕与圆形卷绕的循环曲线圆形电池没有容量快减区间方形电池容量开始快速衰减2.0方形卷绕内部结构变化安全UL剖析的波音787电池问题2.0卷绕电池变形的机理极片的膨胀与收缩，隔膜拉伸变形2.0卷绕与叠片—卷绕的变形2.0电池内部粉尘与间歇的细微变化任何导致缺陷的因素都会带来不安全。缺少电液带来问题2.0循环充放后卷绕电池卷绕方型电池充放电100次后折返处的极片掉粉情况。正极负极隔膜2.0方形卷绕电池的变形与缺陷2.0动力圆柱4680电池的问题极片膨胀---内部接触松紧变化、不均匀，极耳端面移位。焊接缺陷--虚焊、焊透烧隔膜、焊接飞溅充电循环，极片膨胀交变应力，旋转拉扯极耳。32130-GAIA循环后极耳撕裂2.1电池变形对电池性能的影响内部变形的电池：内部缝隙参与反应少生成锂支晶长大刺穿隔膜

2.1原理级理解理想电池结构—全片式叠片正极、负极，隔膜完全切片堆叠2.2电池叠片方式与叠片效率序号叠片方式特点要求效率1全片式叠片正、负极、隔膜全部切成片，然后交叉堆叠；1.5-1.8s/pcs(多工位）2Z字形叠片正、负极切成单片；隔膜折成Z字形；1.2-1.8s/pcs3制袋式叠片将隔膜和一个电极制袋，然后叠片；1.2-1.8s/pcs4卷绕式叠片正、负极切成单片；隔膜间歇卷绕；0.8-1.0s/pcs5卷绕式负极连续叠片正极切片、隔膜和负极连续，隔膜、负极间歇卷绕；0.4-0.6s/pcs6负极连续式复合叠片正极切片、负极连续，隔膜、负极折成Z字形；0.1-0.2s/pcs7极片全切断复合式叠片正极，负极和隔膜一起复合成一个小单元，然后叠片0.1-0.2S/PCS2.2叠片电池的特点优点：内阻容易做小；容量相对高；极片变形小；电解液渗透好；对极片柔性要求低；容量可以做大一些；可以做较厚的电芯；缺点：边缘多、毛刺难以控制；自放电偏大；连片问题不能杜绝；料盒对极片的伤害；制造效率低、设备投入偏大；2.2叠片电池的制造难点毛刺控制:（目前激光是经济和可靠的办法）切割毛刺控制10微米以下；表面粉尘控制5微米以下，满足10万净化等级；极片分片的粘连；极片和料盒的擦伤极片隔膜变形Z形叠片隔膜会在0-几十倍隔膜承受力之间变化，导致电池不均匀；寻求更高的制造效率：

希望叠片效率节拍小于：0.1-0.2s。即300-600PPM2.2叠片视频Ｚ形叠片的特点Z型叠片的主要问题隔膜张力每次从零到最大，导致隔膜拉伸不一致，起始小，后面大（部分属性变形）；隔膜摆轴不对称时，隔膜变形不一致；只能单片叠，效率提升难。2.2隔膜的拉伸及扭曲变形隔膜变形：Z形叠片隔膜会在零-几十倍隔膜承受力之间变化，导致隔膜拉伸变形，电池不均匀；

2.2ZFold与隔膜拉伸曲线2.2Z形叠片—机理说明隔膜变形隔膜材料：不同性能隔膜弹性模量不一样设备运行：拉力不一致隔膜摆轴（或叠片台移动）的不对称导致隔膜两边摆时的拉伸不同隔膜张力变化很大（每叠一片都是从零到最大），不同机器由于摩擦、惯量和电机驱动性能不同，导致隔膜变形不一致，目前至少差20%需要摆动隔膜，放极片，避让隔膜的角度交替进行，叠片效率难提升Z型叠片无法避免隔膜变形问题隔膜张力：500-1000g隔膜厚度需求20um15um12um9um7um2.2隔膜测试—不同拉力循环对Z型叠片的影响拉伸策略为：三个循环受力，即从0→给定力→0→给定力→0→给定力→0，受力变化5N/s结论：在交变力作用下，不同的幅值引起不同的回弹特性，导致隔膜的不均匀。要求叠片隔膜的张力也要均匀。交变力幅值第一个循环损失的回弹应变第二个循环损失的回弹应变20N4.8%6.3%10N1.6%2.3%2.2隔膜测试—拉伸前后孔隙率变化本实验样品为两种：原隔膜，受22N，5N/s的受力交变拉伸五次后的隔膜结论：拉伸后，总孔体积降低，平均孔径缩小13%比较项原隔膜拉伸后的隔膜总孔体积[cm3g-1]0.31810.3099平均孔径[nm]72.02771.914比表面积[m2g-1]17.66417.235拉伸前拉伸后对比具体数据得出在拉伸前，样品中数量最多的孔是53.04nm左右的孔，且孔径分布相对集中，该孔径的微孔数量多于其他孔径的微孔。隔膜拉伸后，样品中数量最多的孔是46.13nm左右的孔，但是与邻近孔径的微孔数量相比，在占比上并没有表现突出2.2全片式叠片要解决的是：毛刺、效率、监控问题正极、负极，隔膜完全切片堆叠更多是解决制造技术问题原理级理解动力电池的最终结构—全片式叠片2.3高速复合叠片工艺制成过程张力恒定、隔膜没有不均匀拉伸电芯界面平整正负极完全物理隔断，安全性高。2.4吉阳复合叠片研发路径

历时4年潜心研发，四代技术创新迭代第一代(2016)第二代(2018)第三代(2020)第四代(2021)叠片原理图2.4高速复合叠片机单工作台480PPM（0.125s/pcs）辅助时间0

电芯长度MAX600mm新能源行业ASML的第一个革命产品-单工作台年产1GWh2.4复合叠片机—核心技术四大核心技术高速摆叠并行追切安全检测闭环控制精度控制高速制片的基础高速、高精度的叠片电芯全过程控制通过设计实现需要的精度2.4核心技术-高速复合叠片机精度控制+高速摆叠通过设计实现高速、高精度的叠片电芯精度设计保证通过控制极片片宽精度、极片间距精度可实现电芯精度设计可控100%叠片速度提升自由式摆叠，精度可控，叠片速度高无辅助时间电芯切换无需辅助时间2.4成为新能源行业的ASMLBecomeASMLofnewenergyindustry核心技术-高速复合叠片机安全检测闭环控制电芯全过程控制光源CCD相机调节装置相机反光镜复合单元叠片台过程在线检测在线检测判断极片、隔膜Overhang边缘值实时显示，存储可追溯叠台对齐度检测叠台上布置4组CCD闭环控制与切刀组件配合，实现闭环控制2.4未来--高速复合叠片机单工作台800PPM辅助时间0

电芯长度MAX600mm新能源行业ASML的第一个革命产品---单工作台年产2GWh2.5锂电制造工艺及装备制造业工程基础—标准动力电池叠片机电池故事—李缜123电池故事—李缜及国轩高科3.0李缜，