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  • 技術文章

    鋰電池制造過程中的質量控制難題

    2021-09-09 21:32:20  來源:賽多利斯

    Introduction

    國際能源署近期的一份報告顯示,2020 年歐洲電動汽車注冊量達到 140 萬輛,占全部新車銷量的10 %。在中國和美國,這一占比分別為 6 %和 2 %。驅動電動汽車發展的力量是鋰離子電池技術,解決鋰離子電池三個制造階段中的質量控制難題則顯得尤為重要。

    為確保電動汽車用鋰離子電池符合性能和安全要求,電池制造流程必須滿足嚴苛的精密性閾值,并采用與高通量自動化生產線要求相一致的質量控制分析。為可工作狀態下的電池執行性能測試往往需要耗費長達數天的時間,因此生產過程中的質量控制至關重要。


    解決質量控制難題

    鋰離子電池有三個制造階段,每個階段又包含多個步驟。每一個制造步驟都絲毫馬虎不得。例如,電極膜厚度的標準公差只有±2 μm。為滿足這種細微的公差要求,電動汽車鋰離子電池的生產線高度自動化。為評估質量并滿足精密性要求,生產線上配置有一系列的分析儀器,生產完成后,還會再執行多種測量。

    賽多利斯工業應用經理Junkichi Azuma稱,生產線上的這些工具不僅要足夠精確,而且為適應生產線的高速生產特點,還必須具備高響應性和穩定性。和制造流程一樣,這些系統也高度自動化,可在制造階段識別質量缺陷并提供響應性控制措施。
     

    電動汽車中(zhong)的每個電池(chi)組都由數(shu)百個電化(hua)學電池(chi)連接組成(cheng)

     


    第1階段 準備電極

    鋰離子電池生產的首個階段是準備電極,即陽極和陰極。陽極和陰極組件的漿液分開混合。陽極漿液一般包含作為陽極材料的石墨、高分子粘合劑、其它添加劑和作為溶劑的純化水。在電動汽車鋰離子電池中,陰極漿液一般包括由鎳、鈷和錳(NMC)組成的層狀氧化物材料。

    涂布步驟完成后,使用熱梯度干燥薄膜,之后這些片材在壓延流程中通過重型輥子。這個步驟會對干燥的薄膜進行壓縮處理,以優化活性電極的孔隙率。隨后,這些片材將在真空干燥室內進行數小時的干燥處理,將剩余的水分蒸發掉。在典型的生產線中,這一處理流程的速度可達每分鐘 50 米。

    在該過程中會涉及兩項重要操作:光學檢查和水分分析



    質量控制:光學檢查

    視覺檢查是主要的電極質量控制方法。由于電極組裝的速度過快,無法開展人工檢查。“*常見的方法是使用攝像頭系統和線路檢測裝置實施視覺檢測。” 德國亞琛工業大學電動交通組件生產工程設計主席Marc Locke說。



    質量控制:水分分析

    水分是鋰離子電池的一個嚴重威脅。主要問題是水會與電極中的LiPF產生反應,并生成氟化氫,而氟化氫是一種高腐蝕性的副產品,會破壞電池組件。*終制造完成的電池中的水分含量一般不超過500 ppm。但由于水是陽極漿液中一種極具性價比的溶劑,因此無法在電池制造中避免水的使用。
     

    電池生產線的速度很快,因此在組件生產和電池組裝中,一般使用攝像頭和線路檢測裝置以光學方式檢測鋰離子電池。

    組裝電池單元前,需通過干燥和真空干燥步驟清除電極膜中的殘留水分。德國亞琛工業大學電動交通組件生產工程設計主席Marc Locke表示,在真空干燥步驟中,一般會定期分析電極樣本中的殘留水分。


    在這些離線分析中,可以使用能夠精準測量低含量水分的熱重分析法水分分析儀,例如賽多利斯MA 100水分儀。水分分析儀也可以用于在準備電極漿液之前評估陽極和陰極組件的水分含量。

     


    第 2 階段 組裝電池組

    電極充分干燥后,便可以組裝電化學電池。將大電極片切割為單獨的電極段,涂覆一層薄的高分子分離膜,然后卷起或折疊小的片材。片材卷或堆垛上設有線路連接點。將電極裝箱并加入液體電解液。*后將電極箱密封。



    質量控制:精密稱重

    加入電解液后,生產線上集成的在線稱重單元會對加入電池中的電解液數量進行稱重分析。賽多利斯銷售經理Kyle Lee表示,除了快速響應和精準的稱重,生產線上的稱重單元還必須小巧、防爆,并擁有穩定的內部校準系統。賽多利斯作為原始設備制造商生產的稱重單元被多家韓國企業應用于生產電動汽車用鋰離子電池的美國、中國和歐洲的海外工廠。

    值得一提的(de)(de)(de)是,為(wei)可重復(fu)制造(zao)滿足性能(neng)要(yao)(yao)求的(de)(de)(de)高(gao)質量(liang)(liang)鋰離子電池(chi),高(gao)質量(liang)(liang)試(shi)劑是一個(ge)關鍵要(yao)(yao)素。同(tong)樣,電池(chi)研究(jiu)實(shi)驗室(shi)和(he)電池(chi)質量(liang)(liang)控制實(shi)驗室(shi)都需要(yao)(yao)使用良好(hao)表征的(de)(de)(de)材料來開發新(xin)型電池(chi)技(ji)術和(he)研究(jiu)電池(chi)性能(neng)背后(hou)的(de)(de)(de)化學(xue)機制。賽多利斯的(de)(de)(de)Arium超純(chun)水(shui)系統可以為(wei)實(shi)驗室(shi)提供穩定的(de)(de)(de)高(gao)質量(liang)(liang)水(shui),滿足配制和(he)分析儀器的(de)(de)(de)使用需求。

     


    第 3 階段 完成電池組裝

    電池單元完全組裝好后,還必須經過一個電化學形成和熟化過程,這個過程可能需要數天或數周的時間。在生產線之外的一個類似于倉庫的設施中,對電池單元緩慢充電,促使在電極表面上形成一個固體電解質界面膜(SEI)。SEI是電池工作過程中一個必要的部分。

    機器人會在倉庫中快速巡視,評估每個電池單元的電性能。



    質量控制:電性能

    SEI形成后,會對電池單元進行電性能檢查,例如在數周內測量電池的輸出電壓的穩定性。滿足電動車輛要求的性能標準的電池單元會被組裝在一個電動汽車電池組中并連接在一起。


    未來的電動汽車電池技術

    經過數十(shi)年的穩定(ding)改進,鋰離子電(dian)池(chi)制(zhi)造(zao)方(fang)法已經能夠滿(man)足電(dian)動汽(qi)車(che)市場(chang)嚴格的性能、成(cheng)本和安(an)全要求(qiu)。自動化生產線不僅集成(cheng)了一系列分析儀器,生產后也會執行常規(gui)測試,并(bing)(bing)由此在電(dian)池(chi)組件(jian)生產中(zhong)實現了高精準度。現有和未來電(dian)動汽(qi)車(che)電(dian)池(chi)制(zhi)造(zao)流程(cheng)的精密控(kong)制(zhi)將在這個快速增長的行業中(zhong)確(que)保安(an)全性,*大程(cheng)度降低材(cai)料和能源(yuan)浪費,并(bing)(bing)持(chi)續提升消費者(zhe)的信(xin)任度。

     


    賽多利斯MA紅外水分分析儀




     


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