鋰電漿料粘度的微觀機制

粘度是流體內(nèi)部阻礙其流動的程度大小，其定義公式為：粘度η=剪切應(yīng)力τ/剪切速率γ。 ? ? ? ? ? 而剪切應(yīng)力τ是流體在剪切流動中單位面積切線上受到的力，如圖1所示，其定義式為： 其中，F(xiàn)為剪切力，A為剪切力作用面積。

圖1 流體剪切應(yīng)力示意圖 ? 剪切速率是流體層間運動速度梯度，是流體運動快慢的表征，在剪切力作用下，流體沿x軸方向流動，流層間的速度分布如圖2所示，則剪切速率γ為：

圖2 流體層間速度分布 ? ? ? ? ?

最常見的是牛頓流體（如水、大部分有機溶劑等），其特點是：剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系呈直線正相關(guān)，在給定溫度下流體粘度與剪切速率無關(guān)。非牛頓流體的粘度受剪切速率的影響，假塑性（塑性）流體：粘度隨剪切速率的增加而降低（稱為剪切變稀）；膨脹性流體：粘度隨剪切速率的增加而升高（稱為剪切變稠）。 ? ? ? ?

? 鋰電池漿料是剪切變稀的非牛頓流體，粘度隨剪切速率的增加而降低，因此，一般所說漿料的粘度都應(yīng)該限定剪切速率條件。實際影響涂布效果的粘度是在涂布工藝實際的剪切速率下的粘度值。 ? ? ?

? ? 從微觀上看，粘度就是懸浮液顆粒之間的相互作用產(chǎn)生的。典型的電極漿料由活性材料、炭黑添加劑和聚合物粘合劑，以及溶劑組成。顆粒間膠體相互作用決定了顆粒的自組裝行為及其整體流變特性。大分子聚合物與炭黑導(dǎo)電劑顆粒之間的膠體相互作用導(dǎo)致顆粒聚集，團簇形成，主導(dǎo)著流變行為。本文以石墨、炭黑導(dǎo)電添加劑顆粒、PVDF聚合物粘合劑和NMP溶劑組成的負(fù)極漿料為例，介紹粘度的微觀機制。 ? ? ? ? ?

如圖3所示，顆粒間主要的膠體相互作用包括范德華、聚合物空間位阻、靜電斥力、流體動力學(xué)和耗散相互作用，膠體相互作用主要集中在尺寸從幾百納米到幾微米的顆粒之間。PVDF被物理吸收到炭黑顆粒的表面，降低了炭黑顆粒與NMP之間的大表面張力。PVDF包覆層的長度和溶劑性質(zhì)、顆粒表面形態(tài)、顆粒和聚合物比例以及聚合物分子量的密切相關(guān)，包覆PVDF的炭黑顆粒之間形成靜電斥力和空間位阻，相互作用力大小如圖3b所示。分散在NMP中的炭黑顆粒的zeta電位非常低（zeta電位計測量約為-10 mV），因此可以忽略靜電排斥，膠體相互作用主要來自空間位阻排斥。膠體力對炭黑顆粒的作用比對石墨顆粒的作用大得多，如圖3d所示，由于弱的吸引力作用，炭黑顆粒組裝成高度支鏈的聚集體或絮狀物（圖3c）。相比之下，相對較大的石墨顆粒不會形成相互連接的分形結(jié)構(gòu)。 ?

圖3 ?顆粒間的膠體相互作用和顆粒的組裝行為。（a）炭黑顆粒的聚合物涂層和顆粒間膠體相互作用的示意圖。（b）包覆了PVDF的兩個炭黑顆粒之間的典型顆粒間作用力。（c）組裝成二次聚集體的初級炭黑顆粒的示意圖，這些聚集體連接成網(wǎng)絡(luò)。（d）炭黑（左）和石墨（右）顆粒的光學(xué)圖像。 ? ? ? ? ?

首先研究炭黑和聚合物懸浮液的粘度。在炭黑和PVDF聚合物懸浮液中，PVDF的用量保持恒定，炭黑的用量增加，顆粒體積分?jǐn)?shù)從0.9%到3.2%變化，實驗結(jié)果如圖4所示。炭黑和聚合物懸浮液表現(xiàn)出剪切變稀行為，粘度隨剪切速率的增加而降低。在低剪切速率下，顆粒間膠體相互作用占主導(dǎo)地位，炭黑分形聚集體相互連接充滿整個漿料網(wǎng)絡(luò)。由于顆粒間作用力強，炭黑聚集體積分?jǐn)?shù)高，相對粘度較高。對于中等剪切速率，當(dāng)流體動力剪切力略強于或與炭黑顆粒之間的最大鍵合能相當(dāng)時，炭黑網(wǎng)絡(luò)或大塊炭黑顆粒團絮體分解成更小的聚集體。隨著剪切速率的進(jìn)一步提高，流體動力相互作用增強，較大的聚集體分解成較小的聚集體甚至一次顆粒，炭黑懸浮液的粘度較低。炭黑網(wǎng)絡(luò)的破碎和重整是可逆過程，當(dāng)降低剪切速率，炭黑顆粒重新形成相互連接網(wǎng)絡(luò)，粘度升高。 ?

圖4 ?三種不同顆粒濃度的炭黑和PVDF漿料粘度的實驗結(jié)果，右側(cè)示意圖顯示了三種不同顆粒體積分?jǐn)?shù)下炭黑表面上PVDF的形態(tài)。 ? ? ? ?

? 吸收在炭黑顆粒表面的聚合物形態(tài)會隨著顆粒表面可用空間而變化。當(dāng)炭黑體積分?jǐn)?shù)較低時，總的顆粒表面積更少，吸附在表面的聚合物量更多，聚合物鏈伸展打開。但是當(dāng)碳黑顆粒體積分?jǐn)?shù)高時，例如3.2%，炭黑表面上有足夠的空間容納PVDF，并允許PVDF聚合物鏈保持卷曲的形態(tài)。PVDF聚合物處于“松弛”結(jié)構(gòu)，較高濃度的炭黑顆粒導(dǎo)致聚合物長度越小。而兩個炭黑顆粒之間的最大吸引力取決于吸收的聚合物層的厚度，因為當(dāng)顆粒間表面到表面距離達(dá)到2L時，非常強的聚合物空間位阻斥力超過范德華吸引力，起主導(dǎo)作用。對于較小的聚合物層厚度，兩個顆粒會變得更近，從而產(chǎn)生更強的顆粒間范德華吸吸引力。因此，隨著炭黑顆粒的體積分?jǐn)?shù)從0.9%增加到3.2%，粘度急劇增加。 ? ? ?

? ? 在炭黑懸浮液中繼續(xù)添加體積分?jǐn)?shù)為26%的石墨顆粒，炭黑顆粒仍然形成網(wǎng)絡(luò)，石墨顆粒嵌入炭黑顆粒網(wǎng)絡(luò)中。由于膠體相互作用僅在尺寸從數(shù)百納米到幾微米的顆粒之間起主導(dǎo)作用。在較低的剪切速率下，整個石墨漿料的粘度與炭黑和聚合物溶液的粘度相似，石墨對粘度的影響比較小。但是，隨著剪切速率的增加，流體動力相互作用增加，石墨顆粒之間的剪切力在粘度中占主導(dǎo)地位。總之，炭黑、CNT等這些納米級顆粒由于強烈的相互作用，對粘度的影響更大。 ? ? ? ?

? 對于石墨、CMC和水體系，微觀機制類似。如圖5所示，當(dāng)CMC濃度低（圖5的下部）和低石墨濃度時，顆粒表面吸附足夠量的CMC，抑制石墨顆粒的聚集。隨著石墨濃度的增加，每個石墨顆粒吸附的CMC量減少（圖5下中心），顆粒之間的相互作用減弱，低剪切速率區(qū)域的粘度降低，高剪切速率區(qū)域出現(xiàn)剪切增厚。石墨濃度的進(jìn)一步增加會導(dǎo)致每個顆粒上吸附的CMC量進(jìn)一步減少，使得石墨顆粒之間的相互作用減弱并發(fā)生聚集（圖5右下角），導(dǎo)致粘度增加和數(shù)據(jù)波動。在CMC濃度升高時（圖5上部），即使石墨濃度較高，也能有足夠的CMC被吸附在石墨表面，分散石墨顆粒。因此，粘度不會顯著增加，并且在高剪切速率范圍內(nèi)也抑制了剪切增稠。分子量最高的CMC提供了更強的空間位阻相互作用，因此對粘度和剪切增稠的影響更大。 ?

圖5? 石墨和CMC相互作用示意圖 ? ? ? ? ? 聚合物與顆粒的相互作用，除了包覆（圖6a）之外，還包括（b）粘結(jié)劑相成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，空間位阻作用阻止顆粒的團聚；（c）粘結(jié)劑與活性物質(zhì)顆粒表面鍵合作用，將顆粒之間連接在一起，這是漿料形成凝膠結(jié)構(gòu)，粘度比較高。 ?

圖6? 粘結(jié)劑與顆粒相互作用示意圖 ? ? ? ? ? 對于高鎳材料，采用PVDF粘結(jié)劑時，材料表面的殘堿基團會導(dǎo)致PVDF發(fā)生脫氫氟化反應(yīng)，而形成碳-碳雙鍵。這些C=C雙鍵結(jié)構(gòu)會使PVDF鏈之間進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)，在整個電極漿料中形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。這種交聯(lián)是不可逆的反應(yīng)，凝膠狀漿料很難通過添加溶劑等方法降低粘度。 ?

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圖7? 正常漿料和凝膠化漿料

鋰電漿料分散劑的分散機理

鋰離子電池的電極片通過將電極漿料涂敷到金屬箔上而制成，電極漿料由分散在有機溶劑中的以下材料組成： 活性物質(zhì)：鋰離子嵌入脫出載體； 導(dǎo)電添加劑：促進(jìn)電子傳導(dǎo)；

粘合劑：用于粘合活性材料和導(dǎo)電添加劑。? ? ?

對于高容量的電池，需要降低導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑的比例，提高活性物質(zhì)的比例。但是，另一方面又要保證足夠的電子傳導(dǎo)性以降低電池的內(nèi)阻，以及電極機械穩(wěn)定性。因此，需要適量的導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑。這種權(quán)衡使得優(yōu)化活性材料和導(dǎo)電添加劑的比例非常重要。? ? ??

活性材料和導(dǎo)電添加劑在電極漿料中的分散性也是非常重要的，活性材料充分分散以確保電解質(zhì)與每個活性材料顆粒的表面接觸增加了離子反應(yīng)，這有助于提高電池容量。導(dǎo)電劑的分散程度也很關(guān)鍵，如果電極漿料混合不良，則導(dǎo)電添加劑不能充分分散。相反，如果混合太強，則形成的電子通路將被破壞。? ?

電極漿料可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

（1）導(dǎo)電劑和活性顆粒都沒有充分分散；

（2）導(dǎo)電劑和活性顆粒充分分散，但是相互作用力弱，彼此分離；

（3）導(dǎo)電劑和活性顆粒充分分散，形成導(dǎo)電劑包覆活性顆粒并鏈接成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，這是理想的漿料結(jié)構(gòu)；

（4）導(dǎo)電劑含量過多時，形成的部分團聚和形成部分網(wǎng)絡(luò)的漿料結(jié)構(gòu)。

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理想的漿料結(jié)構(gòu)如果在極片制備過程中保持，最終可以形成理想的電極結(jié)構(gòu)，從而形成良好的電子傳導(dǎo)路徑，如下圖所示。??

漿料分散將采用機械（如高速剪切分散）或化學(xué)方法（分散劑），西安理工大學(xué)趙桐教授研究了幾種常見分散劑的機理。首先確定了聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100、T-100）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和羧甲基纖維素（CMC）三種典型分散劑的最佳添加量，然后闡述了分散劑T-100、PVP和CMC在LiCoO2鋰離子電池漿料中的分散機理。

三種典型的分散劑T-100、PVP和CMC的最佳用量分別為a% = 0.5%、B% = 0.5%和c% = 1.5%。添加最佳分散劑用量的鋰離子電池料漿比添加其他質(zhì)量比的料漿更能分散多元漿料懸浮液，并能構(gòu)建更好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

分散劑T-100對LiCoO2顆粒的分散幾乎沒有影響，非離子分散劑T-100以空間位阻分散機理作用于炭黑顆粒表面，有效地防止了炭黑顆粒的二次團聚。同時，PVDF-CB雙層傾向于在LiCoO2顆粒周圍建立，以便在漿料內(nèi)形成導(dǎo)電劑包覆LiCoO2顆粒的結(jié)構(gòu)，如下圖上所示。

非離子分散劑PVP對CB在LiB漿料中的團聚有較強的抑制作用，同時對LiCoO2的局部團聚有促進(jìn)作用。PVP能促進(jìn)CB和PVDF之間的相互作用，在LiCoO2周圍形成導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)，但PVP會導(dǎo)致LiCoO2在漿料中團聚。總之，PVP具有分散CB團聚體的能力，但會形成局部聚集的LiCoO2結(jié)構(gòu)，如下圖中所示。??

CMC通過靜電排斥分散機理作用于漿料中導(dǎo)電劑顆粒和LiCoO2顆粒的表面，有效地防止了顆粒間二次團聚，在漿料中形成了導(dǎo)電劑包覆LiCoO2顆粒結(jié)構(gòu)。總之，離子型分散劑CMC可以在LiB漿料中形成導(dǎo)電路徑、CB包覆的LiCoO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及良好分散的CB和PVDF。因此，分散劑CMC是在鋰離子電池漿料中建立完善的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提高鋰離子電池性能的最佳選擇，如下圖下所示。? ? ? ?

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疊片電池制造技術(shù)路線

目前在限制純電動汽車?yán)m(xù)航里程以及能源補充效率方面，最核心的部件就是動力電池技術(shù)。在現(xiàn)階段，業(yè)界主流的動力電池電芯制造工藝分為卷繞和疊片兩種。不同的制作工藝將直接影響到電池的核心指標(biāo)從而影響純電動汽車的部分性能特性。

卷繞工藝：

通過固定卷針進(jìn)行的卷繞，將前期處理好的正極極片、隔膜、負(fù)極極片按照順序卷繞擠壓成型。具體工藝是（由里到外）按隔膜、正極、隔膜、負(fù)極的順序組成一個極組，通過卷繞法直接卷成圓柱形或橢圓柱形，再放在方殼或圓柱的金屬外殼中。

疊片工藝：

將涂覆后的正、負(fù)極片分割成要求尺寸，隨后依照順序?qū)⒄龢O片、隔膜、負(fù)極片、隔膜對疊成“三明治”結(jié)構(gòu)，后將多個“三明治”結(jié)構(gòu)疊合，形成可以封裝的電芯。疊片工藝的連續(xù)性靠的是隔膜的“Z”字形彎折，把正負(fù)極連續(xù)固定到隔膜上，隔膜“Z”字形穿行其間，隔開正負(fù)兩極，最后包上外殼。

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鋰電池中段生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)——芯包制造

疊片與卷繞為鋰電池中段生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)—卷繞、疊片形成的單體我們稱之為芯包（Jellyroll），芯包制造影響電池制造的效率、安全和制造成本。根據(jù)GGII測算的價值量數(shù)據(jù)表明，疊片與卷繞約占鋰電池中段生產(chǎn)設(shè)備的70%，而在鋰電設(shè)備中，中段設(shè)備價值比重約為35%。

各類鋰電池的制造可統(tǒng)一分為極片制作、電芯組裝、電芯激活檢測和模組/Pack 封裝四大工序。其中，電芯組裝屬于鋰電池電芯生產(chǎn)的中段環(huán)節(jié)，主要包括卷繞或疊片、電芯預(yù)封裝、電芯注液等工序。

疊片與卷繞的主要差別在于模切和芯包成型兩道工序。

模切工序的主要差異：

（1）模切方式：

卷繞采用雙邊五金或者激光模切方式，模切完成后分切收卷，以卷料形式流向芯包成型工序；

疊片大多采用單邊五金或者激光模切方式，模切后以片狀物料流向芯包成型工序。

（2）極耳間距：

卷繞的模切極耳間距不等，內(nèi)圈間距小，外圈間距大，極耳的間距依據(jù)卷繞每圈的周長差進(jìn)行設(shè)計，以保證卷繞后的極組極耳落在同一位置；

疊片的極耳是等間距的。

（3）沖切位置：

卷繞會根據(jù)電芯要求，在片長位置設(shè)置Mark 孔定位，在檢測到Mark孔時進(jìn)行切斷；

疊片由于極耳間距相同，可進(jìn)行等間距切斷。

芯包成型工序主要差異：

（1）極片狀態(tài)：

卷繞的正負(fù)極片連續(xù)；

疊片的正負(fù)極片是片狀物料。

（2）芯包完成判定：

卷繞檢測到Mark 孔時進(jìn)行裁斷，完成芯包卷繞；

疊片按照正負(fù)極片的設(shè)定數(shù)量進(jìn)行疊片，達(dá)到設(shè)定值時完成一個芯包的疊片。

（3）芯包形態(tài)：

在相同條件下，疊片電池的極耳數(shù)較卷繞電池多一倍。

（4）隔膜張力控制：

卷繞在高速卷繞過程中隔膜會產(chǎn)生一定的張力，孔隙率會發(fā)生微小的變化;

疊片在芯包成型時，極片的張力幾乎為零，連續(xù)復(fù)合疊片隔膜孔隙率和原材料保持一致。但對于機械手抓放極片式疊片，隔膜的張力在零到最大之間變化，隔膜的孔隙率變化也很大。目前的單工位疊片，多工位切疊一體機都有這個問題。

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疊片的優(yōu)劣勢分析（對比卷繞）

相較于卷繞，疊片工藝能很好的滿足鋰離子均勻、平行移動、極片平面均勻膨脹的條件，因而疊片電池能夠更好的提升電池性能，在能量密度、安全性、循環(huán)壽命等方面具備優(yōu)勢。然而，由于每片需要單獨分離抓取，因而出現(xiàn)生產(chǎn)效率低、工藝控制難等問題，導(dǎo)致大規(guī)模生產(chǎn)成本高且安全控制困難。但是目前主流電池企業(yè)均有疊片電池技術(shù)路線規(guī)劃，在方形電池大尺寸趨勢下，伴隨疊片效率和粉塵、毛刺控制技術(shù)的進(jìn)步，疊片工藝有望得到大規(guī)模應(yīng)用。

疊片芯包的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：

（1）空間利用率較高：卷繞電池在卷繞拐角部有弧度，在空間利用率上要低于疊片電池，而疊片結(jié)構(gòu)可以充分利用電池的邊角空間，有利于提升電池的能量密度。根據(jù)《中國車規(guī)級動力高速疊片電池發(fā)展白皮書》數(shù)據(jù)，從卷繞到疊片，VDA容量提升約2.5%，在相同體積的電芯設(shè)計情況下，疊片電芯的能量密度高出約5%左右。

（2）電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定：在電池循環(huán)過程中，伴隨鋰離子的嵌入，正、負(fù)極片均有膨脹，卷繞電池在拐角處內(nèi)外層的內(nèi)應(yīng)力更容易產(chǎn)生差異，形成波浪狀的變形，導(dǎo)致電池界面變差，電流分布不均勻，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的褶皺，這是由于電池膨脹原理決定的，通過制造技術(shù)只能改善，不能消除。而疊片電池不存在拐角內(nèi)應(yīng)力不均勻問題，每層膨脹力接近，因此可以保持界面平整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

（3）電池安全性更高：在電池循環(huán)過程中，卷繞電池拐角處由于極片的膨脹和收縮，循環(huán)過程中逐步產(chǎn)生縫隙（GAP），同時內(nèi)應(yīng)力無法充分釋放，可能導(dǎo)致拐角處斷裂，進(jìn)而產(chǎn)生脫粉、鋰枝晶生長等問題，甚至引發(fā)電池內(nèi)短路，帶來熱失控風(fēng)險。而疊片電池拐角處受力均勻，降低電池安全風(fēng)險問題。

（4）循環(huán)壽命更長：鑒于工藝上的差異，疊片電池的極耳數(shù)量接近卷繞電池的2倍，電池內(nèi)阻更低，電池發(fā)熱量更少，同時循環(huán)后期的電池變形和膨脹更小，對電池衰減影響更小，因而循環(huán)壽命較卷繞電池更高。根據(jù)《中國車規(guī)級動力高速疊片電池發(fā)展白皮書》數(shù)據(jù)，在相同設(shè)計條件下，疊片電池的循環(huán)壽命比卷繞高10%左右，循環(huán)膨脹力比卷繞低40%以上。

（5）更適合高倍率、大尺寸電池：疊片工藝相當(dāng)于多極片并聯(lián)，在較短時間內(nèi)容易完成大電流的放電，因此有利于提升電池的倍率性能。

總的來說，與傳統(tǒng)卷繞工藝相比，由于受到卷針結(jié)構(gòu)的限制，在往大尺寸電池發(fā)展的路徑上，其缺陷逐漸體現(xiàn)出來。而疊片工藝更適合生產(chǎn)大尺寸甚至異型電池，其優(yōu)勢包括：

在疊片工藝中，材料的剔廢僅僅只需要剔除單片，而卷繞剔廢會導(dǎo)致整片，甚至前后兩片極片的浪費（糾偏的互相影響），因此疊片工藝的材料利用率高。極片瑕疵越多，卷繞的材料報廢率會大幅度提升；

疊片電池極耳數(shù)量多、內(nèi)阻低、發(fā)熱少，循環(huán)壽命更長，有效滿足大容量電芯特別是儲能領(lǐng)域?qū)Π踩院烷L循環(huán)壽命的需求；

疊片電池極片隔膜之間的界面一致性好，并且均勻，沒有GAP問題和頭尾OVERHANG問題。在循環(huán)過程中也不存在拐角內(nèi)應(yīng)力不均勻問題，對大尺寸電芯來說不易發(fā)生變形；

疊片電池充分利用邊角空間，提升能量密度，減少電池系統(tǒng)（例如某些大型儲能系統(tǒng)）的占地面積和土建成本。

疊片工藝沒有得到大規(guī)模應(yīng)用的核心問題：

（1）生產(chǎn)效率低：

以國內(nèi)主要設(shè)備廠商的參數(shù)為例，在極片長度不超過7m的情況下，方形自動卷繞機的生產(chǎn)效率大約在6PPM（part per minute，即每分鐘生產(chǎn)的電芯個數(shù)）。圓柱電池的生產(chǎn)效率更是能達(dá)到30PPM左右。而目前傳統(tǒng)的疊片機生產(chǎn)效率大約在0.5s/片/工位，假設(shè)單個疊片電芯的極片層數(shù)在30片，那么一個工位下疊片電池的生產(chǎn)效率大約為3.5PPM，低于卷繞電池，更大幅低于圓柱電池。

（2）毛刺和粉塵問題：

卷繞電池通常僅需對極片進(jìn)行一次截斷，而疊片電池需要按照規(guī)定的長度對極片進(jìn)行數(shù)次截斷，極片數(shù)量多，工藝難度大，在模切與疊片工序中，容易產(chǎn)生毛刺和粉塵問題，不僅會降低電池的能量密度，還可能擊穿隔膜，導(dǎo)致電池自放電或電池內(nèi)部短路問題，影響電池安全性，進(jìn)而限制大批量生產(chǎn)。

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疊片機設(shè)備路線介紹

目前市場上主流疊片機設(shè)備路線主要有四種，分別為Z型切疊一體機、多片Z型切疊一體機、熱復(fù)合堆疊機和熱復(fù)合Z型疊機。

Z型切疊一體機，它是由模切、Z字型疊片機、貼膠熱壓機組成的，這是目前在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。

多片Z型切疊一體機，它由模切，多片多工位抓取極片同時疊，隔膜每層擺動，最后集中切斷隔膜形成單體電芯，最后貼膠、熱壓。

熱復(fù)合堆疊片機是將正負(fù)極片與隔膜熱復(fù)合，隨后經(jīng)輥壓，裁切成復(fù)合單元再進(jìn)行疊片，屬于制袋式疊片機，相較于Z 字型疊片，有送片復(fù)合工序，對隔膜表面涂膠有一定要求，優(yōu)點是隔膜張力穩(wěn)定，沒有不均勻拉伸。

熱復(fù)合Z型疊機也是將正負(fù)極片分別與隔膜復(fù)合，與堆疊不同的是，隔膜連續(xù)不切斷，正極復(fù)合在上下兩側(cè)，疊片時不需要抓取極片，隨著極片帶的落下實現(xiàn)自動擺疊，因而可以實現(xiàn)高速疊片，隔膜連續(xù)勻速運動，沒有不均勻拉伸問題。

相比之下，復(fù)合Z型疊片更合適電芯大規(guī)模的制造，高速復(fù)合Z型疊片機的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

設(shè)備效率高

單機效率高，輕松實現(xiàn)單疊片臺500-600PPM，且有持續(xù)提升空間；

零輔助時間，相比其他疊片方式，每個電芯減少下料時間5-8s。

電芯界面平整，貼合性能好

隔膜張力穩(wěn)定，不拉伸，不破壞隔膜的空隙率；

隔膜無褶皺與翻折風(fēng)險；

正負(fù)極完全隔斷，無交叉感染的安全風(fēng)險；

極片隔膜界面好，接觸均勻；

疊片對齊度穩(wěn)定，電芯一致性好，對應(yīng)抓片式Z型疊片，電芯容量一致性提升5-8%。

工序優(yōu)異，適應(yīng)未來

不需要CCD極片位置定位，減少CCD定位誤判（一般CCD極片位置定位的誤判率為1-3‰）；

可以實現(xiàn)極片切斷寬度、疊片對齊度全數(shù)據(jù)閉環(huán)（抓片式疊片由于需要極片壓針，壓針撤出后隔膜覆蓋極片不能進(jìn)行實時在線拍攝，因而得不到準(zhǔn)確的極片對齊度數(shù)據(jù)）；

極片隔膜界面平面接觸，極片膨脹收縮仍然保持界面穩(wěn)定，因而復(fù)合疊片更適合未來的半固體，固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)與制造。

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結(jié)論與展望

電池是制造能源時代的核心產(chǎn)品，未來市場有著10倍以上的增長空間。目前我國鋰電行業(yè)實質(zhì)上只在電池產(chǎn)量上處在國際領(lǐng)先的地位，而電池制造質(zhì)量仍亟待大幅度提升。這樣才能更加穩(wěn)定我國鋰電的領(lǐng)先地位，同時使得鋰電制造走向大規(guī)模、連續(xù)化和智能化。

現(xiàn)階段，我國電池的制造痛點主要體現(xiàn)在：

整體合格率低：90%~94%；

材料利用率低：88%~90%；

制造安全性和效率都有待提升；

大規(guī)模制造方法待創(chuàng)立。

電池制造技術(shù)還需要大的突破。一方面在于它的生產(chǎn)效率，也就是實現(xiàn)大規(guī)模制造；另一方面是整個制造的質(zhì)量需要大幅度的提升。并且質(zhì)量提升的意義是非常明顯的，在每生產(chǎn)1GWh的電芯條件下，提升1%的合格率可以獲得的顯性收益能達(dá)到800萬左右，再加上安全方面的隱形改善，能達(dá)到1000萬以上的價值提升。

總的來說，在未來方形電池大尺寸的趨勢下，疊片類電池會成為主流的電池結(jié)構(gòu)。但是要獲得高品質(zhì)的電芯結(jié)構(gòu)，制造裝備必須率先取得高質(zhì)量的發(fā)展。因此，疊片設(shè)備的進(jìn)步以及制造技術(shù)的突破需要走在電池發(fā)展的最前列。

電解液量不足或過多對鋰電池性能造成的影響

電解液是鋰電池中至關(guān)重要的組成部分，其量的不足或過多都會對電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。本文將從電解液量不足和過多兩個方面分析其對鋰電池性能的影響，并探討相應(yīng)的解決方法。

1.?介紹

鋰電池是一種以鋰離子為電荷載體的電池，具有高能量密度、長壽命和輕量化等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。而電解液作為鋰電池中的重要組成部分，其量的不足或過多都會對電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，深入了解電解液量不足或過多對鋰電池性能的影響，對于提高鋰電池的性能和安全性具有重要意義。

2.?電解液量不足對電池性能的影響

一是電解液量不足會導(dǎo)致電池內(nèi)部的離子傳輸受阻，從而影響電池的放電和充電速率。

二是電解液量不足會使得電池內(nèi)部的鋰離子無法得到充分利用，從而降低電池的能量密度和循環(huán)壽命。

三是電解液量不足還會導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度升高，增加電池的安全風(fēng)險；

四是電極和電解液的接觸面減小，阻礙了電極反應(yīng)的進(jìn)行，增加了電池內(nèi)部的電阻。

解決電解液量不足的措施：

一是優(yōu)化電解液的組成和配比，以確保電解液中的溶質(zhì)和溶劑的比例合適；

二是改進(jìn)電池的設(shè)計和制造工藝，以提高電解液在電池中的分布和傳輸效率；

三是加強對電解液的監(jiān)測和管理，及時發(fā)現(xiàn)和解決電解液量不足的問題。

3.?電解液量過多對電池性能的影響

一是電解液量過多會增加電池內(nèi)部的內(nèi)阻，降低電池的放電和充電速率。

二是電解液量過多會導(dǎo)致電池內(nèi)部的鋰離子濃度不穩(wěn)定，從而影響電池的能量密度和循環(huán)壽命。

三是電解液量過多還會增加電池的自放電率，降低電池的存儲穩(wěn)定性。

四是電極和電解液的接觸面增大，加速了電極與電解液的反應(yīng)，提高了電池輸出電流。

解決電解液量過多的措施：一是優(yōu)化電解液的濃度和配比，以確保電解液中的溶質(zhì)和溶劑的比例合適；二是改進(jìn)電池的設(shè)計和制造工藝，以提高電解液在電池中的分布和傳輸效率；三是加強對電解液的監(jiān)測和管理，及時發(fā)現(xiàn)和解決電解液量過多的問題。

4.?結(jié)論

電解液量不足或過多都會對鋰電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要采取相應(yīng)的措施加以解決。通過優(yōu)化電解液的組成和配比、改進(jìn)電池的設(shè)計和制造工藝、加強對電解液的監(jiān)測和管理等措施，可以有效地減少電解液量不足或過多對電池性能的影響，提高鋰電池的性能和安全性。希望本文的內(nèi)容能夠?qū)︿囯姵氐难芯亢蛻?yīng)用提供一定的參考和幫助。

寧德時代：電芯生產(chǎn)工藝揭秘

CATL寧德時代奪下了全球鋰離子動力電池銷量榜的冠軍。這證明了中國鋰電也已突破日韓包圍，正在崛起為全球鋰離子動力電池行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。這家成立于2011年的年輕新能源企業(yè)為何能夠后來居上？

今天就讓我們走進(jìn)CATL寧德時代的生產(chǎn)車間，一起來看看這塊被大眾，寶馬，奔馳爭搶的電芯是怎么制造出來的。 ? 電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。多個電芯組成一個模組，再多個模組組成一個電池包，這就是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。電池就像一個儲存電能的容器，能儲存多少的容量，是靠正極片和負(fù)極片所覆載活性物質(zhì)多少來決定的。正負(fù)電極極片的設(shè)計需要根據(jù)不同車型來量身定做的。正負(fù)極材料克容量，活性材料的配比、極片厚度、壓實密度等對容量等的影響也至關(guān)重要。 ? 活性材料的制漿——攪拌工序 ? 攪拌就是將活性材料通過真空攪拌機攪拌成漿狀。這是電池生產(chǎn)的第一道工序，該道工序質(zhì)量控制的好壞，將直接影響電池的質(zhì)量和成品合格率。而且該道工序工藝流程復(fù)雜，對原料配比，混料步驟，攪拌時間等等都有較高的要求。 ?

時下的正極材料有很多種,主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等。磷酸鐵鋰由于具有安全性與循環(huán)壽命、材料成本低的優(yōu)勢,開始被國內(nèi)電池企業(yè)廣泛采用。而鋰離子電池負(fù)極材料一般都是碳素材料,如石墨就是應(yīng)用最廣泛的負(fù)極材料,這兩種材料需要在攪拌機中攪拌成漿狀。

這里攪拌的是電池的活性材料 ? ? ? 寧德時代的攪拌車間對粉塵嚴(yán)格管控，此外，在攪拌的這一過程中需要嚴(yán)格控制粉塵，以防止粉塵對電池一致性產(chǎn)生影響，在寧德時代的生產(chǎn)車間對粉塵的管控水平相當(dāng)于醫(yī)藥級別。 ? 將攪拌好的漿料涂在銅箔上——涂布工序 ? 這道工序就是將上一道工序后已經(jīng)攪拌好的漿料以每分鐘80米的速度被均勻涂抹到4000米長的銅箔上下面。而涂布前的銅箔只有6微米厚，可以用“薄如蠶翼”來形容。 ? ? ? 涂布工序最重要的是厚度和重量的一致性 ? 涂布至關(guān)重要，需要保證極片厚度和重量一致，否則會影響電池的一致性。涂布還必須確保沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片。否則會導(dǎo)致電池放電過快，甚至?xí)霈F(xiàn)安全隱患。 ? 將銅箔上負(fù)極材料壓緊再切分——冷壓與預(yù)分切 ? 在碾壓車間里，通過輥將附著有正負(fù)極材料的極片進(jìn)行碾壓，一方面讓涂覆的材料更緊密，提升能量密度，保證厚度的一致性，另一方面也會進(jìn)一步管控粉塵和濕度。 ? ? ? 冷壓就是將鋁箔上的正負(fù)極材料壓緊壓實，這對提升能量密度也很重要 ? 將冷壓后的極片根據(jù)需要生產(chǎn)電池的尺寸進(jìn)行分切，并充分管控毛刺（這里的毛刺只能在顯微鏡下看清楚了）的產(chǎn)生，這樣做的目的是避免毛刺扎穿隔膜，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。 ? 切出電池上正負(fù)極的小耳朵——極耳模切與分條 ? 極耳切模工序就是用模切機形成電芯用的導(dǎo)電極耳。我們知道電池是分正負(fù)極的，極耳就是從電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體，通俗的說電池正負(fù)兩極的耳朵，是在進(jìn)行充放電時的接觸點。 ?

通俗的說電池正負(fù)兩極的耳朵是在進(jìn)行充放電時的接觸點。這個接觸點并不是我們看到的電池外表的那個銅片,而是電池內(nèi)部的一種連接。極片則是電池的核心,也就是我們說的電極,一個正的一個負(fù)的,這樣才有電,極耳是要由電極引出的部分,通過極耳與其他的連接才能通電。

而接下來的分條工序就是通過切刀對電池極片進(jìn)行分切。 ? ? ? 完成電芯的雛形——卷繞工序 ? 在這里，電池的正極片、負(fù)極片、隔離膜以卷繞的方式組合成裸電芯。先進(jìn)的CCD視覺檢測設(shè)備可實現(xiàn)自動檢測及自動糾偏，確保電芯極片不錯位。 ? ? ? 有了CCD視覺檢測設(shè)備的輔助，CATL寧德時代的電池生產(chǎn)車間在國際上屬于自動化程度最高的電池生產(chǎn)車間之一。 ? 去除水分和注入電解液——烘焙與注液 ? 水分是電池系統(tǒng)的大敵，電池烘烤工序就是為了使電池內(nèi)部水份達(dá)標(biāo)，確保電池在整個壽命周期內(nèi)具有良好的性能。 ? ? ? 而注液，就是往電芯內(nèi)注入電解液。電解液就像電芯身體里流動的血液，能量的交換就是帶電離子的交換。這些帶電離子從電解液中運輸過去，到達(dá)另一電極，完成充放電過程。電解液的注入量是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，如果電解液注入量過大，會導(dǎo)致電池發(fā)熱甚至直接失效，如果注入量過小，則又影響電池的循環(huán)性。 ? 電芯激活的過程——化成 ? 化成是對注液后的電芯進(jìn)行激活的過程，通過充放電使電芯內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成SEI膜（SEI膜：是鋰電池首次循環(huán)時由于電解液和負(fù)極材料在固液相間層面上發(fā)生反應(yīng)，所以會形成一層鈍化膜，就像給電芯鍍了一層面膜。），保證后續(xù)電芯在充放電循環(huán)過程中的安全、可靠和長循環(huán)壽命。將電芯的性能激活，還要經(jīng)過X-ray監(jiān)測、絕緣監(jiān)測、焊接監(jiān)測，容量測試等一系列“體檢過程”。 ? ? ? 化成工序當(dāng)中還包括，對電芯“激活”后第二次灌注電解液、稱重、注液口焊接、氣密性檢測；自放電測試高溫老化及靜置保證了產(chǎn)品性能。 ? ?

所有制造好后的每一個電芯單體都具有一個單獨的二維碼，記錄著出生日期，制造環(huán)境，性能參數(shù)等等。強大的追溯系統(tǒng)可以將任何信息記錄在案。如果出現(xiàn)異常，可以隨時調(diào)取生產(chǎn)信息；同時，這些大數(shù)據(jù)可以針對性地對后續(xù)改良設(shè)計做出數(shù)據(jù)支持。 ? 單個的電芯是不能使用的，只有將眾多電芯組合在一起，再加上保護(hù)電路和保護(hù)殼，才能直接使用。這就是所謂的電池模組。 ? 電池模組（module）是由眾多電芯組成的。需要通過嚴(yán)格篩選，將一致性好的電芯按照精密設(shè)計組裝成為模塊化的電池模組，并加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置。CATL的模組全自動化生產(chǎn)產(chǎn)線，全程由十幾個精密機械手協(xié)作完成。另外，每一個模組都有自己固定的識別碼，出現(xiàn)問題可以實現(xiàn)全過程的追溯。 ?

從簡單的一顆電芯到電池包的生產(chǎn)過程也是相當(dāng)復(fù)雜，需要多道工序，一點不比電芯的制造過程簡單。 ? 上料 ? 將電芯傳送到制定位置，機械手自動抓取送入模組裝配線。 ? ? ? 在寧德時代的車間內(nèi)從自動搬運材料到為設(shè)備喂料100%實現(xiàn)了自動化 ? 給電芯洗個澡——等離子清洗工序 ? 對每個電芯表面進(jìn)行清洗（CATL寧德時代采用的是等離子處理技術(shù)保證清潔度）。這里采用離子清潔，保證在過程中的污染物不附著在電芯底部。 ? 為什么要采用等離子清洗技術(shù)？原因在于，等離子清洗技術(shù)是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗方式，其最大優(yōu)勢在于清洗后無廢液，最大特點是對金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料等都能很好地處理，可實現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。 ? ? ? 將電芯組合起來——電芯涂膠 ? 電芯組裝前，需要表面涂膠。涂膠的作用除了固定作用之外，還能起到絕緣和散熱的目的。CATL寧德時代采用國際上最先進(jìn)的高精度的涂膠設(shè)備以及機械手協(xié)作，可以以設(shè)定軌跡涂膠，同時實時監(jiān)控涂膠質(zhì)量，確保涂膠品質(zhì)，進(jìn)一步提升了每組不同電池模組的一致性。 ? ? ? 電芯的涂膠

給電芯建個家——端版與側(cè)板的焊接 ? 電池模組多采用鋁制端板和側(cè)板焊接而成，通過機器人進(jìn)行層壓和端板、側(cè)板焊接處理。 ? ? ? 線束隔離板裝配 ? 焊接監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確定位焊接位置后，綁定線束隔離板物料條碼至MES生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，生成單獨的編碼以便追溯。打碼后通過機械手將線束隔離板自動裝入模組。 ? ? ? 完成電池的串并聯(lián)——激光焊接 ? 通過自動激光焊接，完成極柱與連接片的連接，實現(xiàn)電池串并聯(lián)。 ? ? ? 下線前的重要一關(guān)——下線測試 ? 下線前對模組全性能檢查，包括模組電壓/電阻、電池單體電壓、耐壓測試、絕緣電阻測試。標(biāo)準(zhǔn)化的模組設(shè)計原理可以定制化匹配不同車型，每個模塊還能夠安裝在車內(nèi)最佳適合空間和預(yù)定位置。 ? 每個電池包包含了若干電池單元，與連接器、控制器和冷卻系統(tǒng)集成到一起，外覆鋁殼包裝。通過螺栓自動固緊，由電氣連接器相連，即使發(fā)生故障，僅需更換單獨的模組即可，不必更換整個電池組，維修工作量和危險性大大降低，更換模組僅需把冷卻系統(tǒng)拆解，并不涉及其他構(gòu)件。 ? 其實，電動汽車從最初的設(shè)計階段就要通過各種方法，最大程度保證安全性。然而，再完美的設(shè)計還得經(jīng)過實踐測試的考量。在寧德時代，只有成功通過這些磨練的電池產(chǎn)品，才能被放行使用。 ? 590攝氏度火燒測試 ? 590攝氏度火燒電池是什么概念？我們知道金星的地面溫度是464攝氏度，在這樣的高溫下，鉛、鋅等金屬材料早已熔化。但是，電池組卻要在這樣的高溫下進(jìn)行“生存”挑戰(zhàn)。 ?

CATL寧德時代的測試標(biāo)準(zhǔn)是,電池要在590攝氏度的情況下連續(xù)燃燒1小時，電池不起火，不爆炸。

在安全性能方面國家的標(biāo)準(zhǔn)是外部燃燒130秒，電池不起火、不爆炸。然而，作為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)CATL寧德時代卻有著更高的要求，不僅做到了外部燃燒130秒后電池依然可以正常工作，的國家標(biāo)準(zhǔn)，更達(dá)到了在590攝氏度的情況下連續(xù)燃燒1小時后，電池依然沒有爆炸危險。 ? 連續(xù)21小時振動試驗 ? 在日常用車當(dāng)中，免不了要通過一些顛簸路面，電池產(chǎn)生的振動可能會引發(fā)質(zhì)量不過關(guān)的電池產(chǎn)品固定不良，零部件松動，甚至外殼破裂最后引發(fā)安全失效的等情況。 ?

震動測試是用來模擬電池包在實際使用中會遇到顛簸路況,測試電池產(chǎn)生的振動是否會引發(fā)質(zhì)量不過關(guān)的電池產(chǎn)品零部件松動,甚至外殼破裂等情況。

所以我們需要模擬車輛震動對電池包產(chǎn)生的影響。振動臺用來模擬電池包在實際使用中會遇到的顛簸路況，環(huán)境箱用來提供不同的溫度環(huán)境，充放電機則用以提供充放電的實際工作情況。這三部分組成了帶溫度帶負(fù)載的振動測試系統(tǒng)，真實模擬了實車使用時的情景。 ? 寧德時代的一座推力20噸的振動臺，用來模擬電池包在實際使用中會遇到的顛簸路況，但其振動強烈程度更甚于實際路況。在試驗中，電池包一秒鐘要被振動200下，而電芯模組則要被振動2000下。更加嚴(yán)苛的是電池包需要在-30℃至60℃的環(huán)境條件下，連續(xù)隨機振動21小時，這樣可等效模擬數(shù)十萬公里的行車疲勞情況。 ? 加速度達(dá)到100G的撞擊測試 ? 與振動試驗類似，沖擊測試用以測試電池包的機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其模擬車輛通過路障時，瞬間顛簸對電池包結(jié)構(gòu)的沖擊。此外，在更換電池的過程中有萬分之一的幾率遇到電池跌落的情況。所謂不怕一萬就怕萬一，CATL寧德時代將電池從1米高度進(jìn)行自由落體測試，且保證各項功能依然正常。 ?

這項測試,除了模擬車輛通過路障時,瞬間顛簸對電池包結(jié)構(gòu)的沖擊。此外,在更換電池的過程中有萬分之一的幾率遇到電池跌落的情況。盡管幾率非常小，但是作為一個負(fù)責(zé)任的廠商,這是必須要完成的測試環(huán)節(jié)。

在寧德時代的沖擊測試中，最高加速度可高達(dá)100G。要知道一般人的心臟承受的最大加速度為50G。而目前有記錄的，人體能承受的加速度極限約為40G。在如此強烈的加速度沖擊下，電池包依然運行正常。 ? 最貼近真實事故的擠壓測試 ? 擠壓測試用于模擬電池在交通事故時受到擠壓的情況，隨著電池變形程度的增加，正負(fù)極集流體會首先被撕裂。在短路點產(chǎn)生非常大的電流，熱量集中釋放，引起短路點的溫度急劇上升，因此很容易引發(fā)熱失控，進(jìn)而引起起火或爆炸。 ? ? ? 在擠壓測試找那個電池包外殼出現(xiàn)了明顯的變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，電芯被內(nèi)部零部件刺破，出現(xiàn)高壓短路，造成熱失控。對于擠壓測試的通過標(biāo)準(zhǔn)一般是不起火、不爆炸。而寧德時代的電池產(chǎn)品，甚至可以再擠壓變形的情況下，繼續(xù)正常工作。 ? 在寧德時代的擠壓試驗中，施加給電池包的力是十噸。12米大巴車重量為7噸，加上乘客和行李的重量接近10噸，也就是說這至少可以模擬一輛12米大巴車撞擊時的擠壓。 ? ? 結(jié)束語 自此經(jīng)過數(shù)不清的復(fù)雜加工工藝和檢測測試流程，一塊印有CATL LOGO的成品車用電池單元終于誕生了，但是對于質(zhì)量的把控來說這并沒有結(jié)束，為了把控在日常使用時的質(zhì)量和品質(zhì)，所有的成品電池和電芯都有自己獨一無二的編碼，如果未來那塊電池甚至那顆電芯出現(xiàn)故障，可以追溯到那條生產(chǎn)線甚至那一批原料。對于電池這種帶有一定危險性的產(chǎn)品來說，質(zhì)量永遠(yuǎn)是最重要的一環(huán)。 ? 目前CATL已經(jīng)形成了從原料的開采到后期回收，一套完善的鏈條體系。而與寶馬、奔馳等國際企業(yè)的合作關(guān)系，再次證明了其產(chǎn)品的優(yōu)勢。產(chǎn)品的穩(wěn)定性和好口碑，是取勝的關(guān)鍵，但在新能源行業(yè)當(dāng)中逆水行舟不進(jìn)則退，未來需要不斷推出有市場競爭力的產(chǎn)品，才能始終挺立在業(yè)界最高峰。

審核編輯：黃飛

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