锂电池制造工艺控制技术分析

锂电池制造工艺控制技术分析

严林

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摘要：锂电池作为一种能量密度高、循环寿命长、安全性能好的储能器件，被广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。在锂电池的生产制造过程中，工艺控制技术是非常关键的一个环节，主要包括电芯制造过程中的极片制造、涂布、叠片和分切等，以及电池组装过程中的化成和分容等。主要介绍了锂电池极片制造工艺控制技术、涂布工艺控制技术和电池组装工艺控制技术。

关键词：锂电池；制造工艺；控制技术

引言

随着工业革命和技术创新的快速发展，煤、石油、天然气等不可再生能源已不能满足人们的需求，并且燃烧后产生大量的二氧化碳或二氧化硫，导致温室效应和酸雨等严重的环境问题，不仅危害人类健康，还会破坏生态资源和生态平衡。近年来，风能、太阳能、潮汐能和地热能等可持续能源方面的研究成果激增，但上述可持续能源的间歇性和不可控性无法满足大规模应用。锂离子电池，由于其高能量密度、无记忆效应、长循环寿命和低自放电的优点，成为稳定的电源供应在新能源汽车等领域得到了广泛关注。

1锂电池制造工艺

锂离子电池因其在能量密度、循环寿命、环保性能等方面的突出优势，成为动力电池的首选。锂电池制造工艺主要包括：极片制造、电芯制造、封装和测试。在极片制造环节，锂电池生产厂家通常会根据客户需求对电池材料进行挑选，并按照配方要求将原材料投入搅拌槽中，经过混合、搅拌、研磨等工序制成粉状固体，再将其放入涂布机中进行涂布，涂完后送入压片机中进行压实和切片，将切好的片料送入卷绕设备中卷绕成圆柱状后，再经过封装和测试设备对电池进行封装。在电芯制造环节，锂电池生产厂家会根据客户需求对电池材料进行挑选，并将其投入电池生产设备中进行电芯制造。

2锂电池制造工艺控制技术

2.1极片制造技术

极片是锂电池的关键部分，其质量好坏直接影响着电池的性能。锂电池极片的主要材料是碳材料，根据材料不同可以分为石墨、天然石墨和人造石墨。在锂离子电池中，目前常用的碳正极材料有软碳、硬碳和石墨三种，其中以软碳最为常用。此外，还有很多其他的正极材料，如锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂等，均可用于制备锂电池。在制备电池极片的过程中，需要对原材料进行化学处理和涂布成型等，这两个过程是锂离子电池极片制造的关键环节。在涂布成型过程中，需要将原材料经过涂布机的涂布、干燥和辊压等步骤形成不同形状的电极极片。目前，在生产极片过程中主要采用辊压机进行辊压成形。而在辊压成形过程中，对压力、温度和速度等参数进行有效控制是至关重要的。具体来讲，就是要根据涂布机和辊压机各自的特性及生产工艺要求来调整压力和温度等参数。此外，还需要考虑材料、模具和设备之间的匹配关系，以保证极片的平整度和厚度均匀性。在实际生产过程中，要想得到性能良好的极片，需要根据不同材料特点采取相应措施来控制。具体来讲，对于天然石墨来说，其表面光滑且质地坚硬、不易碎裂，具有良好的导电性；而对于硬碳来说，其表面粗糙且质地疏松、不易碎裂；对于锰酸锂来说，其具有较强的腐蚀性和不安全性，在制备过程中需要注意对其进行保护处理。此外，还需要根据不同材料性质采用不同涂布方法和工艺参数来制备极片。例如在制备软包软锂电池时就需要采用涂布法制备极片。

2.2改善航空锂电池极耳焊缝焊接质量

航空锂电池极板与极耳连接处一般采用激光焊接方式，易产生缺陷、多焊、气泡等微缺陷，进而引起局部电阻变化，导致锂电池充放电过程中引发严重事故。目前，航空锂电池极耳焊缝焊接质量检测主要基于机器视觉、超声波、Ｘ射线、漏磁及涡流检测等技术，其中机器视觉仅能检测焊缝表面微缺陷的有效性，但难以发现内部气泡等缺陷特征；超声波技术可穿透极板焊缝进行深层探伤，但检测需要耦合剂，由于其温度适应性较差，易造成电池极板短路，风险较高；Ｘ射线可实现极耳焊缝断层扫描且对电池损害较小，但价格昂贵并伴随辐射，很难实现大规模应用；直流漏磁技术受提离影响明显，信号衰减严重，且需指出，电池极板受直流饱和磁化后会出现剩磁现象，对后期正常使用是否造成影响尚不明确；常规涡流检测多采用单频方式，受外部磁场干扰影响较大，且在面向微缺陷检测时需进一步增加弱磁信号识别装置，以提升检测效率和精度。对于微缺陷的检测，日本神户大学通过隧道磁阻（ｔｕｎ⁃ｎｅｌｉｎｇｍａｇｎｅｔｏ⁃ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）传感器完成μｍ级缺陷的测量，但传感器制作工艺难度大、成本高，且易达到磁饱和，难以应用于极耳焊缝微缺陷检测。从消除噪声角度建立微型差分涡流检测线圈模型，以应对微缺陷弱磁场识别，可在保障检测灵敏度的前提下实现多条焊缝覆盖扫描，并在此基础上采用多频励磁方式完成极耳焊缝层析成像。同时，在完成高灵敏度励磁－检测探头设计后，嵌入激励电路、锁相环电路及信号处理电路等模块，实现航空锂电池极耳焊缝微缺陷弱磁在线检测系统开发。

2.3锂离子电池内短路形成机理及检测方法

电池组件的材料从根本上决定了电池的安全性，减少内短路的威胁可以通过使用更安全的材料和改进电池制备工艺来实现。对电池组分的改性是目前最常见的方法，包括对电池电极、电解液、隔膜的改性。对于电池电极，可以采用新型电极材料、电极掺杂、电极表面涂层等措施来降低内短路风险。引发内短路最直接的原因是隔膜损坏，通过功能性隔膜材料制备具有选择渗透性的功能性隔膜，可以阻止特定物质的移动，实现稳定的循环运转，减少引发内短路的可能性。在电解液中加入添加剂等可以有限提高电池安全性。基于5G通信与大数据平台，内短路可由车载端、大数据平台、电池监控云端3个层面进行分析诊断。对动力电池进行实时、准确的监控可以在内短路形成初期进行有效的识别与预警。通过5G通信与大数据平台，在新能源汽车车载端，利用高效、智能的BMS，分析传感器采集到的电压、温度、电流等电池单体及系统工作参数，进行内短路的分析与诊断。在电池中嵌入智能传感器，例如柔性薄膜传感器和光纤光栅（FiberBraggGrating，FBG）传感器可以准确采集电池的电压、温度、电流等参数。随着BMS智能化的提高，采集电池的数据可以由电池监控云端进行控制，通过大数据平台对采集到的数据进行综合分析。对于内短路的诊断将从传统的单机控制诊断到基于网络的远程控制，结合车辆历史故障数据与气象环境数据等，对内短路进行综合诊断与预警。

结语

锂电池作为一种高效、环保的能量存储设备，在现代社会中扮演着越来越重要的角色。随着新能源汽车、家庭储能等市场的不断扩大，锂电池的需求量也在逐年增长。因此，在锂电池生产过程中，严格按照生产工艺要求进行生产，加强对各个工序的质量控制，将有助于提高生产效率和产品质量，满足市场需求。在极片制造过程中，需要严格控制原材料的质量，确保其符合产品要求。

参考文献

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