1 鋰離子電池發(fā)展背景
20世紀(jì)70年代初，鋰離子電池的出現(xiàn)給能源革命增添了一筆濃重的色彩。作為一種能量密度高、循環(huán)次數(shù)多、使用壽命長(zhǎng)的新型二次電池，鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電源、電動(dòng)車(chē)、家電、智能穿戴設(shè)備、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域。
伴隨著2020年9月22日，我國(guó)提出的“碳中和”目標(biāo)，政府陸續(xù)出臺(tái)了一系列政策措施，加強(qiáng)碳排放控制和可持續(xù)發(fā)展等方面的工作，并一直致力于推動(dòng)全球應(yīng)對(duì)氣候變化的協(xié)同發(fā)展。截止2022年底,在中國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)中,鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，占比高達(dá)93.7%，在新增儲(chǔ)能裝機(jī)項(xiàng)目中占比約為94%，是目前主流的儲(chǔ)能技術(shù)。
2022年全國(guó)汽車(chē)保有量3.19億輛，新能源汽車(chē)保有量達(dá)1310萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)67.13%，占汽車(chē)總量的4.10%。其中，純電動(dòng)汽車(chē)保有量1045萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的79.78%呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，需求量呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
雙碳政策為鋰電行業(yè)帶來(lái)了巨大的投資機(jī)會(huì)和市場(chǎng)需求，也推動(dòng)著鋰電技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。
2 鋰離子電池內(nèi)部構(gòu)造解析
實(shí)際應(yīng)用中，鋰電池按封裝方式主要分為圓柱，方形和軟包三種，其核心差異在外殼材料上及卷繞方式上。圓柱和方形電池主要采用金屬材料作為外殼，而軟包鋰電池采用鋁塑膜作為封裝外殼。
從結(jié)構(gòu)上分析，鋰電池都是由正極、負(fù)極、隔膜、電解液及外殼組成：
正極：主要有三元（NMC）、磷酸鐵鋰(LiFePO4) 、鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)幾個(gè)類(lèi)型，其原理是充電時(shí)，鋰原子會(huì)分裂為鋰離子和電子，電子隨外圍電路回到負(fù)極，形成電流，放電時(shí)則相反；
負(fù)極：主流為碳基材料，起電子儲(chǔ)存跟釋放作用；
隔膜：一般為單層的PP(聚丙烯),PE（聚乙烯），也有雙層或PP/PE/PP三層復(fù)合隔膜，其主要功能是防止兩極接觸而發(fā)生短路同時(shí)使電解質(zhì)離子通過(guò)。其性能決定著電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響著電池的容量、循環(huán)以及電池的安全性能；
電解液：在正、負(fù)極之間起著輸送離子傳導(dǎo)電流的作用，并且只能通過(guò)離子，電子則不能通過(guò)，也是能量密度和功率密度的關(guān)鍵；
工作原理圖如圖1所示。
圖1 鋰電池工作原理圖
3 鋰離子電池的生產(chǎn)
在鋰電池生產(chǎn)中，最重要的就是正負(fù)極片的生產(chǎn)和電芯成型工藝。
正負(fù)極片是由導(dǎo)電片跟正負(fù)極漿料組成。鋰電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)裝置。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，我們需要一種介質(zhì)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化的電能傳遞出來(lái)，即導(dǎo)電材料。而在導(dǎo)電材料中，金屬材料是導(dǎo)電性最好的，而在金屬材料里價(jià)格又便宜的就是銅箔和鋁箔。在電芯加工方面，主要有卷繞和疊片兩種方式。卷繞工藝需要用于制備電池的極片具有一定的柔軟性以保證極片在卷繞時(shí)不發(fā)生脆斷等問(wèn)題。而金屬材料中，銅鋁箔也是質(zhì)地較軟的金屬，因此銅箔、鋁箔被廣泛應(yīng)用在電池的正負(fù)極導(dǎo)電材料中。鋰離子電池生產(chǎn)流程圖如圖2所示。
圖2 鋰離子電池生產(chǎn)流程圖
鋰電池生產(chǎn)第一道工序就是制漿，將正負(fù)極材料、黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑充分?jǐn)嚢栊纬烧?fù)極漿料，為了使材料混合均勻，需要嚴(yán)格控制攪拌的時(shí)間與方法，該工序控制的好壞將直接影響電池質(zhì)量跟成品合格率。
第二步就是將攪拌好的漿料按正負(fù)極均勻地涂到鋁箔、銅箔上。由于正極電位高，銅箔在高電位下很容易被氧化，而鋁的氧化電位高，并且鋁箔表層有致密的氧化膜，因此正極導(dǎo)電體為鋁箔，負(fù)極為銅箔；這道工序需要保證極片厚度和重量一致，否則會(huì)影響電池的一致性。涂布示意圖如圖3所示。
圖3 涂布示意圖
第三步是輥壓，將制好的極片放入輥壓機(jī)中進(jìn)行輥壓，這也是增加能量密度的重要一環(huán)。輥壓示意圖如圖4所示。
圖4 輥壓示意圖
第四步則是分切，按需要生產(chǎn)電池的尺寸將極片分切，分切過(guò)程中會(huì)有毛刺的產(chǎn)生，這種毛刺只能在顯微鏡下觀察到。為了避免毛刺扎穿隔膜，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，此步驟需要嚴(yán)格管控毛刺的情況，到此正負(fù)極片的生產(chǎn)就算完成了。分切示意圖如圖5所示。
圖5 分切示意圖
接下來(lái)是電芯成型工藝，主要有兩種方式：卷繞法跟疊片法。卷繞法是按正極-隔膜-負(fù)極-隔膜的順序?qū)⒉牧暇砝@起來(lái)，形成裸電芯。需要使用先進(jìn)的CCD視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備完成自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)糾偏，保證電芯極片不錯(cuò)位；疊片法是按正極-隔膜-負(fù)極的順序疊加起來(lái)。卷繞法一般適用于圓柱電池、方形電池，疊片法則用于軟包電池。卷繞示意圖如圖6所示。
圖6 卷繞示意圖
之后將裸電芯放入外殼，進(jìn)行電芯排氣，最后注入電解液并蓋上頂蓋封口。
4 鋰離子電池的激活與檢測(cè)
經(jīng)過(guò)前段工序，鋰電池的電芯功能結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，后續(xù)則是需要對(duì)其進(jìn)行化成分容、檢測(cè)、分選、組裝，形成使用安全、性能穩(wěn)定的鋰電池成品?；稍韴D如圖7所示。
圖7 化成原理圖
其中，化成通過(guò)對(duì)高溫老化后的電池進(jìn)行首次充電，激活電池，在負(fù)極表面形成SEI膜，就是在電極材料表面的一層膜，通過(guò)電解液消耗鋰離子形成，能夠有效阻擋電子和溶劑分子通過(guò)。
一般的步驟為：
（1）擱置：將電池組裝在針床化成柜上擱置5min；
（2）恒流充電：0.02C恒流充電至3.0V；
（3）擱置：擱置5min；
（4）恒流充電：0.05C、0.1C、0.15C恒流充電至3.5V；
（5）擱置：擱置5min；
（6）恒流放電：0.1C恒流放電，放電深度50%SOC；
（7）老化：常溫?cái)R置15天；
以0.02C充電到3V，在SEI膜基本形成后以稍大一點(diǎn)電流充，不但節(jié)約更多時(shí)間；且形成的SEI膜致密，熱穩(wěn)定性更好，此時(shí)的SEI膜將電解液與石墨完全隔開(kāi)，只許離子通過(guò)到達(dá)石墨層。
分容則是使用充放電機(jī)對(duì)電池進(jìn)行充電放電，通過(guò)一定規(guī)范進(jìn)行“充滿(mǎn)電-放完電”循環(huán)，利用安時(shí)積分法確定電池的容量，也就是循環(huán)時(shí)間乘以放電電流得到的結(jié)果就是電池的容量。只有測(cè)試的容量滿(mǎn)足或大于設(shè)計(jì)容量的電池是合格的，并且需要保證電池的一致性。
經(jīng)過(guò)化成分容之后再利用OCV、DCIR等測(cè)試設(shè)備對(duì)電池開(kāi)路電壓、交流內(nèi)阻、殼蓋絕緣等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，篩選合格的單體電池，最后經(jīng)過(guò)高溫老化，就完成了電池的生產(chǎn)。
5 化成分容電流檢測(cè)方案
綜上所述，電流檢測(cè)技術(shù)對(duì)化成分容工藝具有重要作用。業(yè)內(nèi)化成分容產(chǎn)線(xiàn)的電流測(cè)量精度普遍在萬(wàn)之五，其使用的電流測(cè)量方案主要有兩種：
5.1 傳感器方案
采用高精度閉環(huán)磁通門(mén)電流傳感器，現(xiàn)有的單電源、雙電源傳感器精度普遍在千一到千七之間，整體是無(wú)法達(dá)到產(chǎn)線(xiàn)的要求，那做化成分容產(chǎn)線(xiàn)的廠家都會(huì)搭建測(cè)量電路，根據(jù)傳感器線(xiàn)性度進(jìn)行分段標(biāo)定以及依據(jù)溫度曲線(xiàn)做補(bǔ)償，以達(dá)到目標(biāo)的萬(wàn)五精度，因其體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜被廣泛應(yīng)用；另外現(xiàn)有的PPM精度級(jí)別的傳感器由于價(jià)格太高，更多是應(yīng)用在對(duì)產(chǎn)線(xiàn)的標(biāo)定工作。
5.2 分流器方案
本身能達(dá)到較高的精度，但是溫漂較大，且本身功耗較大，因此目前主要在小電流場(chǎng)景或者加強(qiáng)散熱的環(huán)境下使用。
Magtron采用自主研發(fā)的的專(zhuān)利ifluxgate技術(shù)打造的高性?xún)r(jià)比、低零飄、高帶寬電流傳感器，可滿(mǎn)足化成分容產(chǎn)線(xiàn)使用，實(shí)現(xiàn)高精度的電流采集。由公司自主研發(fā)的SoC芯片也可以為客戶(hù)提供專(zhuān)有的技術(shù)解決方案，基于市場(chǎng)實(shí)時(shí)的最新需求，不斷升級(jí)完善，致力于解決工業(yè)、電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能行業(yè)等各項(xiàng)電流、漏電流采集問(wèn)題，為各行業(yè)電力設(shè)備保駕護(hù)航。Magtron電流檢測(cè)方案如圖8所示。
圖8 Magtron電流檢測(cè)方案
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