張貴萍 宋佑 何亞雄 劉永樂 黃子欣 張曉泉 吳際良 黃新華 余克清
隨著中國版的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略規(guī)劃《中國制造2025》的公布,中國拉開了實(shí)施國家制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的序幕?!肮I(yè)4.0”的核心是智能化制造,而“工業(yè)3.0”的核心是自動化制造。對于歐美企業(yè)來說,它們基本上已經(jīng)完成了“工業(yè)3.0”,而對于大部分中國企業(yè)來講,目前還處在“工業(yè)2.5”階段,也就是半手工半自動化的階段。從“工業(yè)3.0”到“工業(yè)4.0”,重點(diǎn)在于軟件以及管理;而“工業(yè)2.5”到“工業(yè)3.0”階段,重點(diǎn)是硬件。這就是為什么近期國內(nèi)鋰電池企業(yè)自動化設(shè)備投資成為熱點(diǎn)的原因。“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略,要求實(shí)施制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacture Executive System,MES)的智能制造,筆者研究開發(fā)的鋰離子動力電池的新型“面結(jié)”結(jié)構(gòu)特別有利于“工業(yè)4.0”的核心智能化制造,在實(shí)聯(lián)長宜集團(tuán)的動力鋰電池生產(chǎn)線成功實(shí)施了MES智能制造管理。
一、鋰離子電池及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
化學(xué)電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置?;瘜W(xué)電池主要包括作為密封材料的殼體、殼體內(nèi)的電解質(zhì)溶液、浸在電解質(zhì)溶液中的正、負(fù)極片和隔板(膜)以及連接電極的導(dǎo)線或金屬連接片。正、負(fù)極片和它們之間的隔板(膜)卷繞在一起稱為電芯卷繞體,在可充電化學(xué)電池中,還進(jìn)一步包括進(jìn)行充電操作的電路板,而上述的電解質(zhì)溶液和正、負(fù)極片等被總稱為電芯。鋰離子電池是化學(xué)電池的一種,鋰離子電池是以2種不同的能夠可逆地嵌入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物作為電池正極和負(fù)極的二次電化學(xué)體系裝置,充電時鋰離子從正極脫嵌,穿過電解質(zhì)和隔膜,嵌入到負(fù)極中。放電時鋰離子從負(fù)極脫嵌,通過電解質(zhì)和隔膜,嵌入到正極中,可由此循環(huán)反復(fù)。
目前,市場使用的鋰離子動力電池,其能量體積密度、產(chǎn)品產(chǎn)能等相關(guān)參數(shù)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān),而其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與極片形狀、集流片、箔形體的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系,現(xiàn)有極片、集流片、箔形體的結(jié)構(gòu)主要可分為3種。
1.間隙涂布極片結(jié)構(gòu)形狀
間隙涂布、極片敷料間隙處焊接條形極耳,其焊接處表面粗糙,需貼上膠帶,防止將隔膜或者極片刺穿。該箔形體制程的大致流程:制片,如圖1(a)所示→焊接條形極耳,如圖1(b)所示→焊接處包膠帶,如圖1(c)所示→疊片或者卷繞方式制成箔形體。該結(jié)構(gòu)的極片在制程過程中的特點(diǎn)為:涂布速度慢;制片工序中操作復(fù)雜;制造出來的產(chǎn)品能量密度低。
2.多極耳極片結(jié)構(gòu)形狀
連續(xù)涂布、將未涂敷處的箔材切條,其切條后的箔材稱為極耳,該結(jié)構(gòu)可稱為多極耳結(jié)構(gòu)。該箔形體制程的大致流程為:制片→切極耳,如圖2(a)所示→卷繞制成箔形體,圖2(b)。該結(jié)構(gòu)在制程過程的特點(diǎn)為:其切條后的極耳易斷,容易造成焊接不牢,且焊接后容易拉斷;其極耳與集流片或者端蓋通過焊接的方式進(jìn)行連接,該結(jié)構(gòu)不耐振動;制造過程成本高。
3.全極耳極片的結(jié)構(gòu)形狀
連續(xù)涂布、邊緣留未涂敷區(qū)的光箔結(jié)構(gòu)稱為全極耳結(jié)構(gòu)。大其致流程為:用卷狀的正極片,負(fù)極片以及卷狀的隔膜全自動卷繞獲得電芯卷繞體,通過超聲波整對光箔整形形成“面結(jié)”結(jié)構(gòu)形式,再使用集流片激光穿透焊接。具體為:涂布制片,如圖3(a)所示→卷繞制成電芯卷繞體,如圖3(b)所示→將箔形體未涂敷區(qū)整形成“面結(jié)”結(jié)構(gòu),如圖3(c)所示?!懊娼Y(jié)”結(jié)構(gòu)能夠使極耳位端面與集流片的激光焊焊接有效面積加大和焊接強(qiáng)度提高,由此獲得電池的低內(nèi)阻。該結(jié)構(gòu)在制程過程中的特點(diǎn)為:工藝簡單,便于操作,易于自動化生產(chǎn)與管理;產(chǎn)品一致性好;制程成本低。
筆者團(tuán)隊(duì)提出的高頻振蕩(例如超聲波高頻振蕩)進(jìn)行整形的作用及意義在于對端面光箔區(qū)的箔形體進(jìn)行整形,并且形成“面結(jié)”結(jié)構(gòu),箔形體很薄且柔軟,在高頻振蕩容易打結(jié)形成“面結(jié)”,或稱“箔形結(jié)”。
二、錐形滾子對箔形體整形方法及其“面結(jié)”結(jié)構(gòu)的大容量鋰離子
除了上述箔形體超聲波整形方法外,筆者團(tuán)隊(duì)還研究開發(fā)出用多個錐形滾子整形的方法,如圖4所示。電芯卷繞體整形設(shè)備,包括:電芯固定夾具、對稱設(shè)置在電芯固定夾具兩側(cè)的 2個整形夾具、驅(qū)動2個整形夾具相向或反向運(yùn)動的第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)、以及驅(qū)動兩個整形夾具正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的第二驅(qū)動機(jī)構(gòu),所述整形夾具包括外殼、頂針和多個滾子,所述外殼呈大端開口、小端封閉的喇叭狀,外殼的開口朝向電芯固定夾具,所述頂針固定在外殼的小端面上且沿外殼的中心線向開口方向延伸,所述多個滾子以外殼的中心線為軸均勻分布在頂針的周側(cè),滾子的一端轉(zhuǎn)動設(shè)置在外殼的側(cè)壁上,滾子的另一端依次設(shè)置有圓柱體和圓錐體,圓柱體的直徑大于圓錐體的底端直徑,圓柱體與圓錐體的連接處設(shè)有倒角,圓錐體的頂端朝向頂針。
對電芯卷繞體的極耳位端面的箔形體進(jìn)行滾壓使極耳位端面的箔形體被壓縮成型,滾壓的同時在極耳位端面的周邊以及中心孔的孔壁施加壓力使極耳位端面的形狀保持不變。
整形設(shè)備的工作過程具體圖5所示。在觸摸屏設(shè)置電芯(即電芯卷繞體,以下同)總長度、電芯整形后所需工藝尺寸以及第一電機(jī)速度、第二電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)設(shè)置,手動將電芯放置在電芯固定夾具4上,點(diǎn)動啟動開關(guān),第一電機(jī)啟動,通過絲桿帶動兩側(cè)的整形夾具5同步向電芯中心線靠攏,自動對中;然后第一電機(jī)停止運(yùn)動,氣缸42帶動活動夾具40夾緊電芯,第二電機(jī)啟動,帶動兩端的整形夾具5旋轉(zhuǎn),整形夾具5通過齒輪或者軸測傳動,其中一個正轉(zhuǎn),另一個反轉(zhuǎn),同時第一電機(jī)啟動使兩側(cè)的整形夾具5同步向電芯做緩慢進(jìn)給。當(dāng)整形夾具5的滾子52的圓錐體521接觸到電芯的極耳位端面的箔形體時,滾子52的圓錐體521與箔形體之間產(chǎn)生摩擦,摩擦促使?jié)L子52轉(zhuǎn)動,由于多個滾子52的圓錐體521的切線位于同一平面,使箔形體在壓縮成型時能保證平整,直至完成設(shè)置長度的電芯整形;其中頂針51的圓錐部510便于插入電芯中間孔30,防止對電芯造成損壞,其錐角為30°~80°,頂針51的圓柱部511插入電芯中間孔30,同滾子52的圓柱體520一起保證整形時箔材不會溢出。
與上文所述的高頻振蕩(例如超聲波)方式對鋰離子電池極耳位端面的箔形體進(jìn)行整形的方法相比較,用錐形滾子夾具的整形方法及整形設(shè)備工藝簡單,制造及運(yùn)行成本低。電芯卷繞體整形前后的效果對比見圖6-7所示。
從“面結(jié)”結(jié)構(gòu)的大容量鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖(圖8)可知“面結(jié)”結(jié)構(gòu)的大容量鋰離子電池,包括電池殼體1、設(shè)置在電池殼體1內(nèi)的具有“面結(jié)”結(jié)構(gòu)的電芯卷繞體2、壓蓋電芯卷繞體2兩端的正極集流板3和負(fù)極集流板4、通過正極極耳5與正極集流板3相連的正極極柱6、通過負(fù)極極耳7與負(fù)極集流板4相連的負(fù)極極柱8、以及分設(shè)在電池兩極的正極端蓋9和負(fù)極端蓋10。正極極柱6與正極端蓋9之間采用可熔性聚偏氟乙烯PFA或聚醚醚酮(PEEK)塑料密封圈密封,聚偏氟乙烯PFA或PEEK塑料直接澆鑄在正極端蓋9上下面以及中間的孔壁上,因此上下密封圈實(shí)為一體,負(fù)極極柱8采用與正極極柱6同樣的方式密封,這樣電池殼體1為中性,電池殼體1不會與正極或負(fù)極導(dǎo)通。
筆者團(tuán)隊(duì)所研究開發(fā)的大容量鋰離子電池生產(chǎn)方法,包括以下步驟:
①電芯卷繞體制備:正極制漿-正極極片連續(xù)涂布-正極極片輥壓-正極極片分切-負(fù)極制漿-負(fù)極極片連續(xù)涂布-負(fù)極極片輥壓-負(fù)極極片分切-正、負(fù)極極片和隔膜卷繞成為電芯卷繞體。
②電芯卷繞體的極耳位端面整形:對電芯卷繞體的極耳位端面的箔形體進(jìn)行滾壓使極耳位端面的箔形體被壓縮成型,滾壓的同時在極耳位端面的周邊以及中心孔的孔壁施加壓力使極耳位端面的形狀保持不變。
③電池外殼裝配:集流板與整形后的極耳位端面的箔形體焊接,集流板的極耳與正或負(fù)極柱底部焊接-帶集流板的卷繞體入殼-電池殼體與端蓋激光焊接-真空干燥-注入電解液-化成與分容-打鋼珠封注液口。
筆者團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)的大容量鋰離子電池,包括電池殼體、設(shè)置在電池殼體內(nèi)的電芯卷繞體、壓蓋電芯卷繞體兩端的集流板、通過極耳與集流板相連的極柱和電池兩極的端蓋。其中,極柱包括正極極柱和負(fù)極極柱,端蓋包括正極端蓋和負(fù)極端蓋,集流板包括正極集流板和負(fù)極集流板。
正極極柱的材質(zhì)為鋁合金,負(fù)極極柱的材質(zhì)為銅鍍鎳,所述正極集流板的材質(zhì)為鋁合金,負(fù)極集流板的材質(zhì)為銅鍍鎳,正極集流板和負(fù)極集流板設(shè)有供電解液流入的進(jìn)液孔。正極集流板的正極極耳與正極端蓋的正極極柱通過激光或超聲焊接固定,所述正極極耳的材質(zhì)為鋁合金;所述負(fù)極集流板的負(fù)極極耳與負(fù)極端蓋的負(fù)極極柱通過激光或超聲焊接固定,所述負(fù)極極耳的材質(zhì)為銅鍍鎳或純鎳。電芯卷繞體正負(fù)極的極耳位端面的箔形體被分別整形后壓縮減小0.1~10mm,極耳位端面的箔形體相互纏結(jié)。
三、結(jié)語
筆者團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)的鋰離子動力電池的箔形體整形方法及其獲得的“面結(jié)”結(jié)構(gòu)的大容量鋰離子電池,用卷狀的正極片、負(fù)極片以及卷狀的隔膜全自動卷繞獲得電芯卷繞體,通過超聲波整對光箔整形形成“面結(jié)”結(jié)構(gòu)形式,再使用集流片激光穿透焊接,不僅工藝最簡單,而且電池一致性最好。此外,由于采用了全極耳結(jié)構(gòu)以及獲得的“面結(jié)”結(jié)構(gòu),全極耳結(jié)構(gòu)的箔形體本身具有良好導(dǎo)熱性,導(dǎo)熱效果好(即散熱好),電池具有低內(nèi)阻發(fā)熱小(電池本身發(fā)熱與電池的電流和內(nèi)阻的大小成正比)、并聯(lián)成組簡單高效等優(yōu)點(diǎn),在純電動汽車2C的工作電流范圍內(nèi),電池本身發(fā)熱小,可以很好地解決行業(yè)所認(rèn)為的大容量圓柱電池散熱困難的問題。
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