熱復(fù)合式疊片機(jī)在鋰離子電池中的應(yīng)用研究

黃持偉， 陽(yáng)如坤

(深圳吉陽(yáng)智能科技有限公司，廣東深圳518100)

隨著環(huán)境形式的不斷嚴(yán)峻，人類的生存受到了巨大的威脅，特別是全球氣溫不斷上升，已經(jīng)給全人類敲響了警鐘，而這主要的原因之一就是化石能源的用量不斷增加，排放到空氣中的二氧化碳以及其他有害氣體不斷增多，因此運(yùn)用潔凈的新能源代替化石能源來(lái)減少二氧化碳以及其他有害氣體的排放是全人類發(fā)展的必由之路[1]。鋰離子電池具有能量密度大、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)、工作電壓范圍寬、壽命長(zhǎng)、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)，是目前動(dòng)力汽車替代化石能源的最佳選擇，也是電池行業(yè)發(fā)展及研究的熱點(diǎn)和方向。目前，鋰離子電池的運(yùn)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，從先前的電子通信產(chǎn)品、動(dòng)力汽車向航空航天、航海、節(jié)能環(huán)保、國(guó)防等戰(zhàn)略性領(lǐng)域發(fā)展[2-4]。

高安全、高效率、長(zhǎng)壽命、低成本是鋰離子電池技術(shù)發(fā)展永恒追求的方向和目標(biāo)[2]。電芯是鋰離子電池的核心部件，其質(zhì)量的高低直接決定了鋰離子電池性能的優(yōu)劣，而極芯又是電芯的主要組成部分。現(xiàn)有鋰離子電池極芯的制造工藝主要分為卷繞和疊片兩種，從整個(gè)電池制造和電池質(zhì)量性能方面來(lái)說(shuō)，兩種工藝各有千秋。本文以國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”試點(diǎn)專項(xiàng)“高比能量動(dòng)力鋰離子電池的研發(fā)與集成應(yīng)用”項(xiàng)目為契機(jī)，在研究現(xiàn)有極芯技術(shù)工藝不足的情況下，開(kāi)發(fā)出一種新的熱復(fù)合式疊片機(jī)，為提高鋰離子電池的質(zhì)量和性能奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 極芯制造技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 卷繞工藝

卷繞就是通過(guò)控制極片的速度、張力、尺寸、偏差等因素，將分條后尺寸相匹配的正極極片、負(fù)極極片及隔膜、終止膠帶等卷成極芯的一種極芯生產(chǎn)工藝。目前圓柱和方形鋰離子電池主要采用卷繞工藝生產(chǎn)，由于卷繞工藝可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)極芯的高速生產(chǎn)，所以現(xiàn)階段在極芯生產(chǎn)速率方面，卷繞工藝具有比較明顯優(yōu)勢(shì)，這也是目前國(guó)內(nèi)各大電池制造廠家大多數(shù)都采用卷繞工藝來(lái)制造鋰離子電池極芯的主要原因。

卷繞工藝由于自身的技術(shù)特點(diǎn)，其制造出來(lái)的極芯也存在一些不可避免的缺陷。卷繞工藝將正極極片、負(fù)極極片及隔膜、終止膠帶等卷成極芯，而正極極片和負(fù)極極片是通過(guò)涂布工藝將正極材料和負(fù)極材料涂覆在正負(fù)極集流體上，在極芯兩端部的極片受到卷繞折彎[如圖1(左)所示]，極片上的涂層材料不可避免的受到較大的彎曲變形，極芯的折彎處出現(xiàn)了掉粉的現(xiàn)象[如圖1(右)所示]。相對(duì)極芯的中間平整部位，極芯兩端折彎的地方容易出現(xiàn)較大的縫隙。另外，在極芯卷繞過(guò)程中，極片和隔膜所受拉力容易出現(xiàn)不均勻，容易產(chǎn)生褶皺，極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會(huì)導(dǎo)致所生產(chǎn)的極芯變形。

圖1 卷繞工藝極芯易產(chǎn)生的缺陷

1.2 疊片工藝

疊片則是通過(guò)送片機(jī)構(gòu)將正、負(fù)極片與隔膜交替堆疊在一起，最終完成多層疊片極芯的一種極芯生產(chǎn)工藝。目前軟包鋰離子電池的制造主要采用疊片工藝，疊片工藝將切割好的單個(gè)極片層疊在一起。相比卷繞工藝，疊片工藝能有效避免卷繞工藝中由于極片、隔膜折彎而產(chǎn)生的掉粉、縫隙等極芯缺陷，比較符合鋰離子均勻運(yùn)動(dòng)的原理，極芯質(zhì)量能得到有效提高，電池的整體能量密度也有一定提升，但在極片堆疊過(guò)程中，由于要將單個(gè)的正、負(fù)極片循環(huán)交叉堆疊在一起，相對(duì)卷繞工藝在極芯生產(chǎn)速率上較慢。

圖2 Z形疊片技術(shù)原理圖

Z 形疊片技術(shù)是目前較為常見(jiàn)的一種疊片工藝，其原理如圖2 所示。通過(guò)可移動(dòng)疊片臺(tái)拉動(dòng)隔膜在疊片平臺(tái)之間來(lái)回移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正極極片和負(fù)極極片的交叉堆疊。Z 形疊片技術(shù)隔膜會(huì)隨可移動(dòng)疊片臺(tái)左右擺動(dòng)，隔膜擺軸容易造成不對(duì)稱，而導(dǎo)致隔膜變形不一致；隔膜張力每次從零到最大，導(dǎo)致隔膜拉伸不一致，起始小，中間大，最后降為零，對(duì)隔膜的機(jī)械性能產(chǎn)生較大的影響，也導(dǎo)致隔膜變形不一致，同時(shí)隔膜的孔隙率、平均孔徑、比表面積都會(huì)有較大的變化，影響極芯的質(zhì)量；在疊片過(guò)程中，需要擺動(dòng)隔膜來(lái)疊放極片，避讓隔膜的角度交替進(jìn)行，增加了單次疊片所需要的時(shí)間，同時(shí)只能實(shí)現(xiàn)單片堆疊，疊片效率很難有大的提升。

2 熱復(fù)合式疊片機(jī)原理及功能

針對(duì)現(xiàn)有鋰離子電池極芯制造技術(shù)的缺陷和不可避免的短板，要想通過(guò)對(duì)極芯制造技術(shù)的改進(jìn)來(lái)提高鋰離子電池的質(zhì)量、性能以及生產(chǎn)效率，就要針對(duì)上述卷繞和疊片工藝中存在的問(wèn)題進(jìn)行剖析。在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出既能具備現(xiàn)有工藝的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能盡量規(guī)避現(xiàn)有技術(shù)的不足的鋰離子電池極芯制造工藝裝備，使得熱復(fù)合式疊片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

2.1 設(shè)備原理

熱復(fù)合式疊片機(jī)的工藝原理如圖3 所示。正極卷料、負(fù)極卷料、隔膜同時(shí)進(jìn)料，在進(jìn)入加熱裝置前，正極片、負(fù)極片通過(guò)切刀裁切成所需尺寸的單個(gè)極片，正極片、負(fù)極片、隔膜的組合體在輥輪的作用下進(jìn)入加熱系統(tǒng)。通過(guò)加熱后，在加熱裝置的出口處進(jìn)行熱輥壓，熱輥壓后的正極片、負(fù)極片、隔膜緊密貼合在一起，再通過(guò)切刀，將隔膜切斷，形成單個(gè)的疊片單元，然后通過(guò)機(jī)械裝置將單個(gè)的疊片單元堆疊在一起，之后再對(duì)疊片堆進(jìn)行熱平壓，形成極芯。熱復(fù)合式疊片機(jī)來(lái)料為已切割極耳的正、負(fù)極卷料，進(jìn)行正、負(fù)極裁切、熱復(fù)合、疊片、熱壓與四周包膠，能夠?qū)崿F(xiàn)全片式疊片。

圖3 熱復(fù)合式疊片機(jī)工藝原理圖

2.2 設(shè)備功能

熱復(fù)合式疊片機(jī)主要由制片復(fù)合段、堆疊段、疊片熱壓段、包膠下料段組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)極片隔膜自動(dòng)放卷、自動(dòng)糾偏、張力控制、極耳撫平和導(dǎo)向、除塵、極片截?cái)嗪退土稀釓?fù)合、CCD 定位和疊片、包膠、稱重貼碼等功能。熱復(fù)合式疊片機(jī)的技術(shù)路線如圖4 所示，具體的工藝過(guò)程是：正負(fù)極卷、隔膜卷由伺服電機(jī)自動(dòng)放卷，經(jīng)過(guò)張力控制和糾偏，通過(guò)極片裁切裝置將正負(fù)極片裁切為定長(zhǎng)的單片，再將正、負(fù)極單片與雙層隔膜送進(jìn)烘箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，在極片和隔膜的傳輸過(guò)程中，使用麥拉膜對(duì)極片和隔膜進(jìn)行保護(hù)。完成預(yù)熱后通過(guò)輥壓進(jìn)行單元復(fù)合，再通過(guò)隔膜切斷機(jī)構(gòu)裁切成獨(dú)立的疊片單元。獨(dú)立的疊片單元在真空輸送帶上吸附運(yùn)送至CCD 拍照位置，經(jīng)過(guò)拍照定位后將位置信息傳送至搬送機(jī)械裝置。搬送機(jī)械裝置通過(guò)吸附疊片單元，將其堆疊到疊片臺(tái)上，堆疊至需要層數(shù)后，再將極芯輸送至熱壓平臺(tái)完成熱壓。熱壓后極芯進(jìn)入包膠工位進(jìn)行短路測(cè)試并完成四周包膠，稱重后在表面貼碼，實(shí)現(xiàn)信息綁定。最終進(jìn)行NG 自動(dòng)剔除，將合格極芯轉(zhuǎn)至下一道工序。

圖4 熱復(fù)合式疊片機(jī)技術(shù)路線圖

2.3 設(shè)備參數(shù)

熱復(fù)合式疊片機(jī)可根據(jù)電池生產(chǎn)的需要選擇相應(yīng)的布局方式，目前已開(kāi)發(fā)出單機(jī)架布局[見(jiàn)圖5(a)]和雙機(jī)架布局[見(jiàn)圖5(b)]兩種方式。雙機(jī)架布局方式近似由兩組單機(jī)架布局對(duì)稱布置組成，在疊片極芯輸出端合攏為一體。雙機(jī)架布局方式的生產(chǎn)效率為單機(jī)架布局方式的生產(chǎn)效率的2 倍左右，相比兩臺(tái)單機(jī)架布局，雙機(jī)架布局方式的設(shè)備整體空間和占地面積會(huì)節(jié)省不少。

圖5 熱復(fù)合式疊片機(jī)整機(jī)布局模型圖

熱復(fù)合式疊片機(jī)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，主要包括生產(chǎn)效率、產(chǎn)品范圍、極芯對(duì)齊度、合格率、CMK 值、設(shè)備內(nèi)潔凈度等，產(chǎn)品的具體尺寸規(guī)格可依據(jù)其型號(hào)具體確定，其尺寸只要在設(shè)備能夠制造的產(chǎn)品范圍內(nèi)即可。

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

3 熱復(fù)合式疊片機(jī)優(yōu)勢(shì)

熱復(fù)合式疊片機(jī)是在充分研究和分析現(xiàn)有鋰離子電池極芯制造技術(shù)的不足的前提下開(kāi)發(fā)出來(lái)的，相對(duì)于傳統(tǒng)的正、負(fù)極片單個(gè)疊片交叉堆疊的疊片方式，其最大的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)正極、負(fù)極和隔膜一次性完全切片堆疊，等于正極、負(fù)極首先一次性成形一個(gè)小的疊片單元，再由小的疊片單元堆疊成極芯，實(shí)現(xiàn)全片式疊片，有效提高了疊片及極芯的質(zhì)量和生產(chǎn)速率，是一種全新的鋰離子電池極芯制造技術(shù)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.1 極芯隔膜質(zhì)量高

在正極、負(fù)極和隔膜進(jìn)行制片及熱壓的過(guò)程中，隔膜所受的拉力方向始終不變，速度保持均勻，相對(duì)于卷繞工藝過(guò)程中隔膜受的拉力是不斷變化的情況，能有效避免隔膜由于受力不斷變化而產(chǎn)生的不均勻延展、褶皺、變形以及隔膜機(jī)械性能下降的問(wèn)題；相對(duì)于Z 形疊片工藝中隔膜所受拉力周期性變化以及周期性擺動(dòng)的情況，同樣能有效避免隔膜由于受力不均勻且運(yùn)動(dòng)速度不平穩(wěn)而產(chǎn)生的極芯變形和隔膜性能下降的情況，圖6(a)為熱復(fù)合式疊片方式生產(chǎn)極芯的示意圖，中間隔膜受單一方向的均勻拉力，平而直，與上下貼合的正、負(fù)極片貼合面接觸良好；圖6(b)為Z 形疊片方式生產(chǎn)極芯的示意圖，由于中間隔膜受力不斷變化且運(yùn)動(dòng)方向也在不斷改變，因此隔膜與上下貼合的正、負(fù)極片貼合面不完整，中間存在空心部分，最終會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極之間離子的路徑通道減少，使電池質(zhì)量下降。熱復(fù)合式疊片機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中隔膜連續(xù)單方向輸送，速度和張力控制穩(wěn)定，制造出來(lái)的極芯界面平整，隔膜的機(jī)械性能、孔隙率、平均孔徑、極片與隔膜界面等均勻一致，對(duì)后續(xù)鋰離子電池性能的一致性和充放電能力以及循環(huán)壽命都有著非常重要的影響。

圖6 隔膜對(duì)極片影響示意圖

3.2 極芯極片質(zhì)量提高

熱復(fù)合式疊片機(jī)在制片過(guò)程當(dāng)中，正負(fù)極片以及隔膜通過(guò)熱復(fù)合一次性成形疊片單元體，與隔膜一樣，極片也是連續(xù)單方向輸送，輸送速度均勻，所受的張力穩(wěn)定，極片在形成極芯的過(guò)程當(dāng)中沒(méi)有受到其他方向的力，生產(chǎn)的極芯如圖7所示。熱復(fù)合工藝生產(chǎn)的極芯界面相對(duì)平整，無(wú)褶皺變形現(xiàn)象；而卷繞工藝生產(chǎn)的極芯內(nèi)部的極片間存在間隙，在折彎處存在掉粉現(xiàn)象。由于生產(chǎn)方式截然不同，這種掉粉現(xiàn)象在熱復(fù)合式疊片技術(shù)中不可能出現(xiàn)。將正負(fù)極極片先通過(guò)熱復(fù)合制成疊片單元，再進(jìn)行堆疊，相比單個(gè)正負(fù)極極片交叉堆疊疊片工藝，能有效減少隔膜拉伸不均勻以及在極片和極芯堆疊及輸送轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生的極片錯(cuò)位現(xiàn)象，有效提高極芯中極片的對(duì)齊度。

圖7 熱復(fù)合工藝技術(shù)制出的極芯

3.3 設(shè)備效率高

熱復(fù)合疊片機(jī)是集成切片、疊片、熱壓、包膠等工序于一體的高度集成的鋰離子極芯制造設(shè)備，設(shè)備占地面積少，運(yùn)營(yíng)能耗低，自動(dòng)化程度高，所需操作人員數(shù)量少，能有效降低企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。由于其工藝特點(diǎn)，熱復(fù)合疊片機(jī)在細(xì)長(zhǎng)型極芯規(guī)模工程化方面有較大優(yōu)勢(shì)，目前按照每分鐘生產(chǎn)的極片數(shù)300 片核算，1 GWh 只需要2 臺(tái)復(fù)合式疊片機(jī)。在未來(lái)設(shè)備效率還有較大的提升空間，每分鐘生產(chǎn)的極片數(shù)可達(dá)600～1 000 片，即1 臺(tái)設(shè)備能滿足1 GWh 產(chǎn)能，相對(duì)于現(xiàn)有其他疊片技術(shù)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)能有顯著提高。

3.4 設(shè)備拓展性強(qiáng)

目前鋰離子電池正大規(guī)模應(yīng)用到各行各業(yè)中，需求不斷增長(zhǎng)，但近幾年對(duì)半固態(tài)鋰電池和固態(tài)鋰電池的研究也在不斷升溫，雖然目前基本還處在實(shí)驗(yàn)階段，但由于半固態(tài)和固態(tài)鋰電池相對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的使用壽命、更好的安全性保障[5-6]，未來(lái)完全有可能廣泛運(yùn)用。半固態(tài)和固態(tài)鋰電池與現(xiàn)有鋰離子電池在原理以及制造工藝上十分相似，熱復(fù)合式疊片機(jī)能夠很好地適用或改進(jìn)成半固態(tài)和固態(tài)鋰電池的生產(chǎn)設(shè)備,為今后電池企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)需求、快速轉(zhuǎn)型升級(jí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.5 智能化程度高

鋰離子電池電芯的制造過(guò)程復(fù)雜，需要管控的質(zhì)量因素繁多，制造過(guò)程中的物料、環(huán)境、設(shè)備等因素都會(huì)對(duì)電池質(zhì)量有重要影響。而熱復(fù)合式疊片機(jī)的高度集成，有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備信息、過(guò)程信息、管理信息與其他系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。通過(guò)提高設(shè)備的智能化可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池制造過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高鋰離子疊片電芯的質(zhì)量，對(duì)后續(xù)電池的質(zhì)量追溯和工藝分析提供了有力的支撐。同時(shí)，制造設(shè)備智能化程度的提高也會(huì)減少生產(chǎn)線操作人員的數(shù)量，有助于企業(yè)降低生產(chǎn)成本，同時(shí)縮短電池的制造周期，提高電池的生產(chǎn)速率。

4 結(jié)語(yǔ)

熱復(fù)合式疊片機(jī)是在深入剖析現(xiàn)有鋰離子電池極芯制造技術(shù)的不足和缺陷的情況下開(kāi)發(fā)出來(lái)的鋰離子電池極芯制造設(shè)備，能夠有效避免或減少傳統(tǒng)極芯制造工藝中容易出現(xiàn)的極芯褶皺、縫隙、折彎掉粉、隔膜性能下降、疊片錯(cuò)位等缺陷的發(fā)生，有效提高鋰離子電池的質(zhì)量和性能。同時(shí)鋰離子電芯制造設(shè)備具有系統(tǒng)集成度高、智能化程度高、生產(chǎn)效率高、控制精度高、產(chǎn)品可追溯性強(qiáng)等特點(diǎn)，是鋰離子電池極芯制造未來(lái)的發(fā)展方向。隨著新能源汽車的普及以及鋰離子電池在其他各行業(yè)的需求的日益增長(zhǎng)，熱復(fù)合式疊片機(jī)的發(fā)展前景將十分廣闊。另外，考慮到未來(lái)鋰電池技術(shù)的更新和發(fā)展，制造設(shè)備具有良好的可擴(kuò)展性，有助于未來(lái)電池企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型和升級(jí)。本項(xiàng)目研發(fā)的產(chǎn)品應(yīng)用在國(guó)家科技部重大專項(xiàng)項(xiàng)目中，可實(shí)現(xiàn)高效、高品質(zhì)生產(chǎn)，三元811 軟包單體電芯比能量已達(dá)到了302 Wh/kg。