鋰電池制造工藝控制及潛在問題分析

歐韋聰(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007)

0 引言

世界經濟的快速發展，新能源動力電池的發展得到人們關注。其中鋰離子電池表現出來的優異性能，成為當前眾多動力電池主流的發展方向。但是由于鋰離子化學性質比較活躍，在鋰電池制備過程中，生產環境、生產工藝參數、材料配比等方面的因素，都會影響到電池成品之后的使用性能和安全性能。所以在鋰電池電芯的制造過程中，需要對生產工藝進行嚴格的控制，減少制備過程中產生的缺陷，保證電芯制造過程中的標準化、規范化，通過對電芯制備過程中的工藝管控，提高成品電池的使用性能及安全性能[1]。

首先針對鋰離子電池的反應機理，我們總結出以下公式：

通過公式(1)，我們能更好的探究鋰離子電池的反應機理：

(1)決定電池容量的關鍵在于電池正極活性物質的量，鋰電池為鋰離子含量；

(2)當正極過量時，可能會產生公式(2)的情況，在該反應中析出的鋰以枝晶狀態存在，在電池內部會容易刺穿隔膜，帶來危險，故電池電極中，負極的量需要比正極稍多[2]；

(3)電池電解液作為運送鋰離子的介質，在電池的開發設計中電解質需要保證一定的占比；

(4)電池中不能存在水分。根據公式(3)可以知道，電池中的水分在反應中會額外消耗鋰離子的量，從而影響容量，另外，反應產生的氣體會造成電池鼓脹；在一定的條件下，水分還能與電解質產生反應，產生公式(4)的情況，在一定程度上消耗了電解質的量，從而對電池的反應循環、反應平臺造成影響[2]；

(5)鋰離子電池過充時，會出現公式(5)的情況，這種情況損壞電池正極結構，從而影響電池壽命，同時產生的鋰枝晶，則會引起安全問題[2]；

(6)鋰離子電池短路時會產生極大的電流，容易引起電池安全問題：

電池瞬間短路電流：

人體可承受正常電流：

(7)電池隔膜起著隔離電池正負極材料的作用。一旦隔膜破損，相當于電池正、負極短接，瞬間產生極大電流，帶來安全問題。

以下將通過對電芯制備過程中的一些工藝控制點及潛在問題的描述，來討論電芯制備過程中應注意的因素，從而更好的避免生產過程中問題的發生。

1 正負極材料熱處理

正負材料的熱處理具體是指在正負極材料下料攪拌之前，采用高溫出去材料中的雜質和水分，避免影響成品電池的使用性能。但是在正負極材料的熱處理中，也存在以下幾個潛在問題：(1)熱處理溫度偏高，導致正極材料結塊，從而直接影響后續的電池制備工序；(2)熱處理溫度偏低，導致水分和雜質無法去除干凈，引起成品電池使用后容量低、電池鼓脹等問題。所以在正負極材料的熱處理環節，需要嚴格控制加熱溫度，避免產生溫度偏高或者偏低的問題。

2 正負極材料攪拌

正負極材料攪拌是指使用攪拌機分別將正、負極原材料充分分散混合。在此過程中存在的潛在問題如下：(1)攪拌不均勻，使得電池內部材料分布偏差，可能會降低電池容量、增大電池內阻，減少電池的循環壽命，嚴重的甚至會引發安全問題；(2)攪拌過程中有雜質混入，混入的雜質可能刺穿隔膜，引起電池內短路，自放電異常，降低電池壽命，產生安全問題。所以在攪拌過程中，需注意正負極材料分別混合的均勻程度及純凈度。

3 拉漿

拉漿是指將攪拌均勻后的正、負極材料均勻地涂抹覆蓋在基體表面，并烘干材料[3]。在此過程中存在以下潛在問題：(1)拉漿厚度不均勻，電池內部材料分布偏差，可能會降低電池容量、增大電池內阻，減少電池的循環壽命，嚴重的甚至會引發安全問題；(2)烘干溫度不穩定，影響極片的粘接性能，導致正負極材料的量減少，從而影響成品電池的使用性能。所以拉漿機參數在生產過程中需要特別注意，需要保持參數在一個適當的范圍，避免因為工藝參數原因導致電池生產質量降低。

4 刮粉

刮粉指的刮除極片上無效位置和極耳位置的覆料。在此過程中，存在以下潛在問題：(1)刮粉尺寸偏差，導致電池正負極無法吻合，引起電池安全問題；(2)刮傷基體，導致基體材料斷裂或者產生毛刺，以上缺陷可能會在后續的工序中刺穿電池隔膜，引起電池安全問題。在刮粉過程中，要嚴格控制刮粉尺寸以及刮粉的位置，提升刮粉工序的質量。

5 對輥

對輥是指使用機械通過輥頭的壓力，將電池極片上的正、負極材料壓實，用以增加電池活性物質密度，并使涂覆材料厚度在適合范圍內。此過程存以下潛在問題：(1)輥頭壓力過小，導致材料厚度偏大，造成后工序卷繞對位不準、裝配困難的問題，嚴重時更會產生安全問題；(2)輥面不平整，導致極片表面不光滑，嚴重的時候可能產生毛刺，刺穿隔膜而引起電池內短路、自放電異常的危險。所以對輥工藝中需要注意輥壓力度參數，輥面平整度，避免對輥工藝過程中產生的質量問題[4]。

6 分條

分條是指根據型號需求，將極片裁剪成不同尺寸。此過程中潛在問題為：(1)切口存在毛刺，容易在后工序中刺穿隔膜，引起電池短路危險；(2)極片裁剪形狀不規整，導致后續卷繞對位不準確，裝配困難，嚴重情況下還會引起電池短路。所以在電池生產分條工藝中，需要注意分條后極片的狀態，保證極片在裁剪后尺寸、形狀的標準化，提升電池生產質量。

7 正、負極焊接

正、負極焊接，指的是分別將電池正極、負極的極片和極耳通過焊接的形式連接在一起。該工序為電池生產過程中最關鍵的工序之一，在此步工序中，最大的潛在風險在于在焊接或鉚接的過程中，出現虛焊、焊穿、鉚接不牢固等情況，這樣容易出現電池斷路、內阻增大的情況，影響電池的使用性能以及循環壽命。所以在正、負極焊接工序中，要關注并嚴格控制焊接參數和焊接的環境，同時檢查焊接后焊點質量，在避免虛焊的同時，也要避免焊穿等情況，以免影響成品電池的使用性能及循環壽命，進而降低電池整體質量。

8 正、負極貼膠紙

電池正、負極貼膠紙工序是指用膠紙封住極耳部位可能出現的毛刺，進而降低電池隔膜被毛刺刺穿引起電池內短路的風險。該工序可能的潛在風險為：貼紙粘貼位置不當，未能完全包裹住極耳毛刺，或者粘住極片上的活性物質。如果露出毛刺可能會引起隔膜刺穿導致電池內部短路引起危險，而黏住極片活性物質則可能會導致電池容量降低的情況。所以在該工序中，需要控制貼紙粘貼位置，并建立檢查標準機制，確保該工序操作標準化，降低電池后續生產制備工序風險，以保證電池在使用中的容量及安全性。

9 卷繞

卷繞是指在隔膜隔離良好的基礎上，將電池正負極準確疊合的工序。該工序可能潛在的問題為：(1)極片對位時位置偏差，造車正負極材料錯位，留下安全隱患；(2)卷繞過程中隔膜出現損壞，造成電池內短路或者超過允許范圍的自放電現象，引起安全問題。所以在卷繞工藝中，需要嚴格執行標準化操作，重點關注卷繞過程中正負極疊合的情況，以及隔膜的完好性，避免電池生產過程中直接產生的安全問題。

10 電芯套殼

電芯套殼主要是將卷繞好的電芯裝入殼體，并且焊接電池正負極的工藝，其主要分為壓扁、貼上下膠紙、入殼、焊接正負極耳和焊接蓋帽等步驟。其中主要潛在問題在于：(1)壓扁過程在于壓力的控制，壓力過大會造成電芯壓壞而短路；壓力過小則會導致電池壓不到位而影響后續安裝。(2)貼上下膠紙主要目的是避免電芯與殼體或者蓋板之間直接接觸，從而避免內短路故障，若膠紙粘貼位置粘貼不當，電池在受外界震動或者碰撞時，可能導致電芯與殼體接觸，進而產生內短路，引起安全風險。(3)焊接正負極耳及焊接蓋帽是關鍵的一步，焊接參數的不穩定導致虛焊或者焊穿，引起電池內阻增大甚至斷路，極大程度的影響了電池的使用性能和安全性能。所以電芯套殼的過程中，要時刻注意各步驟的操作規范，反復檢查確保每道工序的質量，提升電池的生產質量。

11 電池烘烤

電池烘烤是指在電芯入殼并焊接完成時候，在真空環境下對電池進行烘烤操作，其目的在于除去電池中的水分，確保電池干燥。該工序可能存在以下問題：(1)溫度不適，溫度過高或者過低都會影響電池的容量、循環壽命等特性。(2)抽真空過程不完全，導致真空度不夠，直接影響電池中水分的去除。所以在此步驟中，需要嚴格把控電池烘烤的溫度，保證烘烤溫度適中，并且注意烘烤環境的真空度，避免烘烤過程中引入空氣中的水分導致烘烤效果不理想。

12 短路檢測

短路檢測是指針對烘烤完畢的電池，進行短路檢測，以排除在前工序中生產出的短路的問題電池。一旦出現短路或者微短路的電池，需要及時排除，否則在后續的充放電時，引起電池自放電的故障，嚴重時還可能出現爆炸，引起生產中的安全事故。

13 注液儲存

注液儲存步驟主要是指在真空狀態下向電池中定量注入電解液，并使電解液充分滲透的過程。該工序中注液量過多或者過少，都會影響到電池內部的含水量，進而導致影響電池容量及循環次數，更嚴重的會引起電池鼓包、漏液等安全問題。所以在該工序中，需要嚴格控制電解液注入量及保持周圍環境干燥，以避免水分對電池的影響。

14 化成

電池化成是至關重要的一個生產工序，指的是用小電流對封裝完成的電池進行充電激活材料活性，同時在陽極表面生成一種保護膜，以保護整個化學界面[5]。該工序存在的潛在問題在于：(1)電池充電不到位，導致后續電池容量不足，進而影響電池的使用性能甚至導致電池鼓脹；(2)充電時間控制不當，會使得電池內部含水量增加，影響電池容量、內阻、電壓平臺、循環壽命等一系列的問題。所以在電池化成步驟需要嚴格控制充電的電流以及充電的時間，避免因為化成步驟的缺陷，對電池后續的生產使用帶來不可逆的影響。故在化成過程中，需要重點關注充電參數及時間，避免因化成步驟的缺陷影響電池整體性能及質量。

15 處理及出廠檢測

電池生產后處理及出廠檢測，主要是針對電池后續拋光、充電、點膠及下線檢測等步驟。該步驟作為電池生產的最終的“善后”程序，對電池外觀及最終性能也起到關鍵性的作用，起主要風險在于：(1)電池表面拋光時間過長，會引起電池局部過熱，影響電池的各項性能；(2)充電過程為確保電池SOC達到50%，若電壓控制不準確，易影響后續出貨的判斷，進而可能影響電池系統的生產；(3)電池點膠為了保證電池封口出的密封性，膠水配制不當不僅會影響電池外觀，嚴重時還會影響電池的密封性能，導致電池壽命下降，最終影響電池最終的使用性能；(4)出貨檢測作為電池生產過程中最后的檢測步驟，能及時發現電池出貨時存在的問題，避免問題電池流入后續工位，能有效抑制缺陷的產生，提高電池整體的生產質量。

16 結語

通過電池生產的工藝把控，能夠有效的解決在各生產過程中出現的潛在問題，有效提升電池整體生產質量、使用性能和安全性能[6]。同時，電池的質量確保，也為后續的新能源汽車提供穩定可靠的能量來源，促進新能源汽車行業的穩步發展，創造安全、高性能的新能源發展環境，以促進“綠色”能源的廣泛應用，為社會未來的發展奠定環保、高效的基石。