智能制造技術在動力電池行業的應用
——評《鋰離子電池智能制造》

吳 程

( 1. 江蘇省江陰中等專業學校,江蘇 無錫 214433; 2. 江蘇聯合職業技術學院江陰中專辦學點,江蘇 無錫 214433 )

動力電池作為新能源汽車的重要組成部分,影響著新能源汽車的推廣和使用。 崔少華著的《鋰離子電池智能制造》一書,在智能制造的基礎上,聚焦新能源汽車動力鋰離子電池的研究。 該書首先對鋰離子電池的研究意義及發展現狀做了簡要介紹;然后闡述了鋰離子電池的工作原理,并對生產工藝流程及所需原材料進行了概述;接著舉例說明了鋰離子電池智能制造的流程及工藝步驟;最后,對鋰離子電池智能制造過程中的關鍵技術進行介紹,并闡明了實施鋰離子電池智能制造的重要意義。

1 鋰離子電池的研究意義及發展現狀

石油、煤炭等石化燃料給人們帶來了極大的便利,但同時,燃料的消耗也增加了碳排放量,使環境污染問題愈加嚴重,尤其在交通運輸領域,燃油汽車的保有量逐年增加,石油消耗帶來的環境污染更是愈來愈烈。 需要大力推廣新能源汽車,以減少交通領域的碳排放,實現環境保護的目的。 新能源汽車大多以鋰離子電池作為能量供給工具,近年來,隨著技術的不斷更新和進步,鋰離子電池發展迅猛,市場容量不斷擴大。 據估計,到2022 年,我國在鋰離子電池方面的營業收入將突破2 100 億元。 在國際上,三星、LG、松下等企業的起步較早;在國內,寧德時代、比亞迪、力神等企業在鋰離子電池的研發及市場占有率方面均處于領先地位。

2 鋰離子電池介紹

鋰離子電池是一種可充電電池,主要由正極、負極、電解質、隔膜和外殼等構成。 通常以鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等為正極活性物質,以石墨、納米碳纖維等為負極活性物質,以乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯等為電解質,以聚丙烯、聚乙烯微孔膜等為隔膜,以鋼或鋁制材料作為外殼。 此外,在鋰離子電池的生產、封裝過程中,還會用到銅箔、鋁箔、導電炭黑、連接片等輔助材料。 在正常工作過程中,鋰離子電池正、負極材料之間的電位差,會促使自由電子通過電解質,在正、負極之間游走,實現充放電。 鋰離子電池具有能量密度高、低溫性能好、使用壽命長等特點,在新能源汽車、數碼產品等領域應用廣泛。

鋰離子電池的生產制造過程復雜,對原材料、設備及技術水平的要求非常高。 關鍵工序工藝包括以下幾點:①制漿,將粉末狀的正、負極活性物質和黏結劑等材料以一定比例混合,經過混漿系統充分攪拌后,形成正、負極物質漿料成品;②涂覆,在金屬箔材表面涂覆制作好的漿料,經過壓片、烘干后形成正、負極片;③卷繞,將正極片、隔膜、負極片等按照順序卷繞,制作成電池極芯和極組;④裝配,把電池極組打包,并輔以墊片、扣蓋等,進行焊接,完成電池的裝配;⑤后處理,對裝配好的電池進行充放電測試,精挑出性能合格的產品。

3 鋰離子電池智能制造

在鋰離子電池的制造過程中,為了降低生產成本,提高生產效率、資源利用率和良品率,縮短生產周期,以設計、生產工藝、測試和包裝運輸等各個環節為需求依據,結合我國的智能管理、先進制造、智慧化生產和工業云平臺等先進技術,可建立鋰離子電池的智能化生產管理工廠,實現智能制造。 整個智能制造過程主要包括以下幾點:①智能化生產管理工廠的總體設計;②工藝的創新和生產設備的智能化集成;③以工業互聯網系統為基礎,實現生產車間數據的采集;④智能化的生產管理系統;⑤生產流程的跟蹤監測以及產品質量檢測;⑥建立可靠的物流調度系統;⑦將人工智能、工業云平臺技術融入其中,實現生產環境的安全監測,生產設備的監測、故障診斷以及產品的質量檢測和提升等。

該書以某大型公司S 主導的“21700 動力鋰離子電池智能制造”項目為例,對鋰離子電池智能制造方案進行了詳細的介紹。 該項目設備總投資約3.99 億元,選擇江蘇蘇州作為建設地點,以充分發揮地域優勢,做好產品交付的售后服務工作。 該項目主要生產三元體系的圓柱形21700 鋰離子電池。 該電池根據納米技術設計而成,可以降低接觸內阻,提升電池在低溫環境下的充放電性能;使用的核心原材料均由國內企業提供,國產化率較高,成本大幅降低,充分調動了企業的積極性,帶動了相關產業的發展,有利于調整國內圓柱形動力電池的產品結構。 該項目配備了先進的自動化生產裝備,并且應用了電極的“連續制漿”技術、寬幅涂覆技術,大大提升了生產效率。 此外,該項目將制造企業生產執行系統(MES)和企業資源計劃(ERP)系統相互融合,實現生產過程的數字化監管,制造出性能穩定的動力鋰離子電池。 項目完成建設后,21700 圓柱形電池的年產能可達到22 億Wh。圓柱形21700 鋰離子電池正極采用三元材料,成本低、使用壽命長、能量密度高,且電化學性能和溫度控制性能優異。為了確保鋰離子電池具備較高的安全性能,S 公司制定了一些列措施,如將陶瓷技術應用在電池負極或隔膜表面,設計獨特的電池結構,在自動化生產過程中,嚴格控制環境污染問題、實現非人工接觸生產等。

21700 動力鋰離子電池智能制造工廠的建設主要包括圓柱形21700 鋰離子電池智能制造和電池包(Pack)系統智能制造兩部分。 圓柱形21700 鋰離子電池智能制造過程對工藝的要求非常高。 在勻漿工藝中,采用了雙螺桿擠出機設備,空間占用率小、能耗低,可實現正負極1 t/h 的漿料產能,每條生產線的產能最高可達2.4 GWh/a,且可實現連續混漿生產,提升混漿效率。 在涂覆工藝中,采用1.3 m 的雙層設備,實現雙面涂覆,最高涂覆速率為40 m/min,最高產能與勻漿工藝一致。 在壓切工藝中,正極采用熱壓技術和液壓伺服控制壓輥,以得到厚度均勻、緊實度良好的正極片;負極采用二次碾壓工藝,以確保極片厚度在設定的范圍內。 在電荷耦合元件(CCD)檢測系統的控制下,利用分切機將得到的正負極片按設定的寬度切割,CCD 檢測系統會將發現的不合格極片自動剔除,以提高后續電芯的良品率。 在卷繞工藝中,粉塵度要在10 000 級以下,環境溫度保持在18～26 ℃,濕度在1%以下。 切割好的正負極片經烘干除水后,與隔膜等材料一起投入卷繞機中,進行卷繞操作,得到極組,卷繞過程中的所有信息都能夠通過MES 系統全面監測。 在裝配工藝中,使用先進的組裝生產線,組裝速度可達200 只/s。 整個裝配過程較復雜:首先,上料機自動上料,并把極組裝入電池殼中;其次,用焊接機將電池殼和負極耳焊接起來;然后,用滾槽機對電池內部的環境進行檢測,確保電池能夠安全出廠;接著,用注液機向電池內部注入電解液,并執行封口操作,得到成型的電池;最后,用檢測設備檢測電池的充放電性能,剔除不合格的產品后,將合格產品運送到指定地點,等待包裝出庫。 Pack 系統智能制造過程采用自動化插接式工藝,成本較低,便于維護,其流程包括:①設定好產線的設備布局;②電芯上料;③電芯檢測;④電芯篩選;⑤電芯剝皮;⑥電芯入工裝;⑦等離子清洗;⑧電芯入中間塑料支架;⑨激光焊接;⑩模塊堆疊;?模組組裝及下線;?彈片安裝;?正極銅牌焊接;?Pack 下線(EOL)測試等。

4 鋰離子電池智能制造關鍵技術及重要意義

“21700 動力鋰離子電池智能制造”項目將物聯網、工業云平臺、人工智能等先進技術應用其中。 在車間物流配送環節配備智能引導裝置(AGV)小車,輔以激光雷達、智能控制算法(如導航算法、路徑規劃算法和車輛調度算法等)等,實現目標精確定位、自主路徑規劃和物料的無人化傳送。 在生產管理過程中,引入MES 系統,以促進整個管理過程水平的提升,優化人員結構,降低生產管理成本,改進工藝流程,提高產品質量,實現全面、智能化管理。 該項目建立了工業云平臺解決方案。 在鋰離子電池生產過程中,要通過各種控制器和傳感器等感知數據,基于此,該項目開發了嵌入式軟件及程序,使得控制器、傳感器等的數據能夠無縫傳輸到工業云平臺和智能制造平臺上,為設備檢測、生產線管理、故障診斷和維修保養服務等操作的執行提供便利。 該項目還應用人工智能技術,以提高鋰離子電池的質量。 在極片制造過程中,可能會出現極片露金屬、暗斑、亮點等瑕疵,因此,利用機器視覺的方式自動檢測極片質量,剔除殘次品。 在質量分析方面,利用機器學習的方式,對鋰離子電池進行分類建模,實現對次品的精準識別。 這些先進技術的應用,促進了動力電池生產向信息化、自動化、智能化方向發展。

“21700 動力鋰離子電池智能制造”項目的實施,具有重要的意義。 該項目將各種先進工藝應用到生產過程中,通過智能化的管理和運營,實現了鋰離子電池的非接觸式自動化生產,降低了生產和運營成本,提高了動力電池單體的一致性。 該項目使用的裝備、原材料大多是由國內廠商提供,國產化率達到80%,帶動了動力電池裝備生產商的發展,促進了全產業鏈的提升。 與類似項目相比,該項目生產的電池具備諸多優勢,如電池蓋的厚度降低了約12%,比功率提升至3 900 W/kg,箔材厚度降低30%以上,充電倍率可達1.2C等。 對于鋰離子電池行業而言,該項目在一定程度上促進了電池產品的結構化調整,促使制造過程的MES 和ERP 整合,實現全自動化生產的突破,建立了數字化生產工廠。

5 結語

《鋰離子電池智能制造》一書將理論知識和項目實例相結合,對鋰離子電池的智能制造技術進行了深入的研究。 首先,對鋰離子電池的發展現狀、工作原理、組成結構、原材料和生產工藝流程等進行了詳細介紹;接著,以S 公司主導的“21700 動力鋰離子電池智能制造”項目為例,對鋰離子電池的智能制造方案、制造流程及工藝步驟、關鍵技術等進行了闡述;最后,說明了項目實施的意義。 該書內容詳盡、圖文并茂,可供從事鋰離子電池智能制造、新能源汽車電池研究的相關技術人員參考。

書名:鋰離子電池智能制造

作者:崔少華 編著

ISBN:9787111674849

出版社:機械工業出版社

出版時間:2021-03-01

定價:￥39.80 元