關于鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-09 09:42
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鋰電池在能量密度和功率密度的結合上具有無與倫比的優(yōu)勢，因而廣泛應用于各種便攜式電子用品、電力工具和電力/混合動力載具。下面小編為大家詳細介紹鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識。
鋰電池結構
不同結構形式、不同材料的工藝相似但裝備需全新配置
鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識介紹
鋰離子電池構成主要由正極、負極、非水電解質和隔膜四部分組成。目前市場上采用較多的鋰電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，二者正極原材料差異較大，生產工藝流程比較接近但工藝參數(shù)需變化巨大。若磷酸鐵鋰全面更換為三元材料，舊產線的整改效果不佳。對于電池廠家而言，需要對產線上的設備大面積進行更換。
鋰電池制造工藝：前中后三道工序，占比接近35% /30%/35%
鋰電池的生產工藝比較復雜，主要生產工藝流程主要涵蓋電極制作的攪拌涂布階段（前段）、電芯合成的卷繞注液階段（中段），以及化成封裝的包裝檢測階段（后段），價值量（采購金額）占比約為（35~40%）:（30~35）%:（30~35）%。差異主要來自于設備供應商不同、進口/國產比例差異等，工藝流程基本一致，價值量占比有偏差但總體符合該比例。
鋰電生產前段工序對應的鋰電設備主要包括真空攪拌機、涂布機、輥壓機等；中段工序主要包括模切機、卷繞機、疊片機、注液機等；后段工序則包括化成機、分容檢測設備、過程倉儲物流自動化等。除此之外，電池組的生產還需要Pack自動化設備。
鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識介紹
鋰電前段生產工藝：極片制造關系電池核心性能
鋰電池前端工藝的結果是將鋰電池正負極片制備完成，其第一道工序是攪拌，即將正、負極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機攪拌成漿狀。配料的攪拌是鋰電后續(xù)工藝的基礎，高質量攪拌是后續(xù)涂布、輥壓工藝高質量完成的基礎。
涂布和輥壓工藝之后是分切，即對涂布進行分切工藝處理。如若分切過程中產生毛刺則后續(xù)裝配、注電解液等程序、甚至是電池使用過程中出現(xiàn)安全隱患。因此鋰電生產過程中的前端設備，如攪拌機、涂布機、輥壓機、分條機等是電池制造的核心機器，關乎整條生產線的質量，因此前端設備的價值量（金額）占整條鋰電自動化生產線的比例最高，約35%。
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鋰電中段工藝流程：效率先行，卷繞走在疊片之前
鋰電池制造過程中，中段工藝主要是完成電池的成型，主要工藝流程包括制片、極片卷繞、模切、電芯卷繞成型和疊片成型等，是當前國內設備廠商競爭比較激烈的一個領域，占鋰電池生產線價值量約30%。
目前動力鋰電池的電芯制造工藝主要有卷繞和疊片兩種，對應的電池結構形式主要為圓柱與方形、軟包三種，圓柱和方形電池主要采用卷繞工藝生產，軟包電池則主要采用疊片工藝。圓柱主要以18650和26650為代表（Tesla單獨開發(fā)了21700電池、正在全行業(yè)推廣），方形與軟包的區(qū)別在于外殼分別采用硬鋁殼和鋁塑膜兩種，其中軟包主要以疊片工藝為主，鋁殼則以卷繞工藝為主。
軟包結構形式主要面向中高端數(shù)碼市場，單位產品的利潤率較高，在同等產能條件下，相對利潤高于鋁殼電池。由于鋁殼電池易形成規(guī)模效應，產品合格率及成本易于控制，目前二者在各自市場領域均有可觀的利潤，在可以預見的未來，二者都很難被徹底取代。
由于卷繞工藝可以通過轉速實現(xiàn)電芯的高速生產，而疊片技術所能提高的速度有限，因此目前國內動力鋰電池主要采用卷繞工藝為主，因此卷繞機的出貨量目前大于疊片機。
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卷繞和疊片生產對應的前道工序為極片的制片和模切。制片包括對分切后的極片/極耳焊接、極片除塵、貼保護膠紙、極耳包膠和收卷或定長裁斷，其中收卷極片用于后續(xù)的全自動卷繞，定長裁斷極片用于后續(xù)的半自動卷繞；沖切極片是將分切后的極片卷繞沖切成型，用于后續(xù)的疊片工藝。
鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識介紹
在鋰電封裝焊接方面，聯(lián)贏、大族、光大的主流激光技術集成應用廠家均有所涉及，能夠滿足需求、無需進口。
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鋰電后段工藝流程：分容化成是核心環(huán)節(jié)
鋰電后段生產工藝主要為分容、化成、檢測和包裝入庫四道工序，占生產線價值量約35%?；珊头秩葑鳛楹蠖喂に囍凶钪饕h(huán)節(jié)，對成型的電池進行激活檢測，由于電池的充放電測試周期長，因此設備的價值量最高?；晒に嚨闹饕饔迷谟趯⒆⒁悍庋b后的電芯充電進行活化，分容工藝則是在電池活化后測試電池容量及其他電性能參數(shù)并進行分級?；珊头秩莘謩e由化成機和分容機通常由自動化分容化成系統(tǒng)完成。
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鋰電Pack工藝：看似簡單但需要與系統(tǒng)性設計結合
動力電池組系統(tǒng)是將眾多單個的電芯通過串、并聯(lián)的方式連接起來的電池組，綜合了動力和熱管理等電池硬件系統(tǒng)。Pack是動力電池系統(tǒng)生產、設計應用的關鍵，是連接上游電芯生產和下游整車的應用核心環(huán)節(jié)，通常設計需求由電芯廠或汽車廠提出，通常由電池廠、汽車廠或者第三方Pack廠完成。
鋰電池Pack產線相對簡單，核心工序包括上料、支架粘貼、電焊、檢測等工藝，核心設備為激光焊接機以及各類粘貼檢測設備。目前，各大鋰電設備廠商在此領域的自動化集成布局較少，而大族激光、聯(lián)贏激光等激光設備廠商由于在激光領域的絕對優(yōu)勢，在Pack設備領域占有率較高。
目前Pack生產的自動化比例相對較低，是因為目前的新能源車單款車銷量都不夠大，上自動化生產線的成本較高。
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磷酸鐵鋰和三元：能量密度繞不開的話題，不同材料需要全套設備投資
目前國內主流動力鋰電池的正極材料分為磷酸鐵鋰和三元兩大種類。其中磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料，其循環(huán)壽命通常在2000次以上，再加上由于產業(yè)成熟而帶來的價格和技術門檻的下降，使得很多廠商出于各種因素考慮都會采用磷酸鐵鋰電池。
然而磷酸鐵鋰電池在能量密度方面則存在明顯的缺陷，目前磷酸鐵鋰電池龍頭比亞迪磷酸鐵鋰單體電芯能量密度為150Wh，2017年底比亞迪預計將能量密度提升到160Wh，理論上磷酸鐵鋰能量密度很難超過200Gwh。
三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰的鋰電池，鎳鈷錳的實際比例可以根據(jù)具體需要進行調整。由于三元鋰電池具備更高的能量密度（目前寧德時代等動力電池一流大廠三元鋰電池能量密度普遍能達到200Wh/kg-220Wh/kg，業(yè)內預計到2020年三元電池單體電芯能量密度將達到300Wh/kg的水平），乘用車市場開始轉向三元鋰電池，而在安全性要求更高的客車上，磷酸鐵鋰則更受青睞。隨著全電動乘用車的發(fā)展，三元鋰電池正在占據(jù)越來越重要的位置。
兩種材料的能量密度和成本有差異，不同的汽車、不同的車企有不同的選擇。二者在生產工藝流程上大致相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在材料的使用和配比上不同、具體工藝參數(shù)差異較大，設備無法共線生產，且單純改造切換產能的成本較高（三元材料對真空除濕等要求嚴格，之前的磷酸鐵鋰生產線基本沒有除濕要求），因此多家電芯廠在產能規(guī)劃中會同時布局、分別采購設備。
鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識介紹
5分鐘帶你搞懂鋰電池PACK基礎知識
鋰電池電芯組裝成組的過程稱為PACK，可以是單只電池，也可以是串并聯(lián)的電池模組等。當下新國標大背景下，鋰電池需求量越來越大，很多鉛酸電池企業(yè)也紛紛推出鋰電產品；其實鋰電池PACK工藝不難，掌握這一技術自己可組裝電池，而不再僅僅充當廠家“電池搬運工”的角色，利潤和售后不再受制于人；掌握一門技術，有“鋰”走遍天下。
PACK組成
PACK包括電池組、匯流排、軟連接、保護板、外包裝、輸出（包括連接器），青稞紙、塑膠支架等輔助材料這幾項共同組成PACK。
鋰電池PACK實例
PACK的特點
①電池組PACK要求電池具有高度的一致性（容量、內阻、電壓、放電曲線、壽命）。
②電池組PACK的循環(huán)壽命低于單只電池的循環(huán)壽命。
③在限定的條件下使用（包括充電、放電電流，充電方式，溫度等）。
④鋰電池組PACK成型后電池電壓及容量有很大提高，必須加以保護，對其進行充電均衡、溫度、電壓及過流監(jiān)測。
⑤電池組PACK必須達到設計需要的電壓、容量要求。
PACK的方法
①串并組成：電池由單體電池通過并串聯(lián)而成。并聯(lián)增加容量，電壓不變，串聯(lián)后電壓倍增，容量不變，如3.6V/10Ah電池由單只N18650/2Ah通過5并組成。先并后串：并聯(lián)由于內阻的差異、散熱不均等都會影響并聯(lián)后電池循環(huán)壽命。
但單個電池失效自動退出，除了容量降低，不影響并聯(lián)后使用，并聯(lián)工藝較嚴格。并聯(lián)中某個單位電池短路時，造成并聯(lián)電路電流非常大，通常加熔斷保護技術避免。先串后并：根據(jù)整組電池容量先進行串聯(lián)，如整組容量1/3，最后進行并聯(lián)，降低了大容量電池組故障概率。
②電芯要求：根據(jù)自己設計要求選取對應電芯，并聯(lián)及串聯(lián)的電池要求種類一致、型號一致，容量、內阻、電壓值差異不大于2%。一般情況下，電池通過并聯(lián)串聯(lián)組合后，容量損失2%—5%，電池數(shù)量越多，容量損失越多。
不管是軟包裝電池還是圓柱電池，都需要多串組合，如果一致性差，影響電池容量，一組中容量最低的電池決定整組電池的容量。要求大電流放電性能。
電機起步電流是正常工作電流的3倍，大電流放電才能提高電機動力性能。要求電池散熱良好。電池數(shù)量較多，電池箱內部的電池溫升不容易散出來，造成各電池間溫度不均勻，放電特性不一，長久造成電池性能下降。生產工藝水平高。電池要能承受顛簸路面的振動沖擊。對生產工藝尤其是點焊工藝要求高。焊接完畢后進行測試以防虛焊、脫焊。
③PACK的工藝：電池的PACK通過二種方式實現(xiàn)，一是通過激光焊接或超聲波焊接或脈沖焊接，這是常用的焊接方法，優(yōu)點是可靠性較好，但不易更換。二是通過彈性金屬片接觸，優(yōu)點是不需焊接，電池更換容易，缺點是可能導致接觸不良。
pack實例
充放電時間
充電時間（小時）=（電池容量Ah x充電系數(shù)）/充電電流A
放電倍率：電池的放電倍率用放電時間表示或者說以一定的放電電流放完額定容量所需的小時系數(shù)來表示。其中，放電倍率=額定容量/放電電流
鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識介紹
匯流排軟連接的組裝
PACK過程中會用到諸如鎳片、銅鋁復合匯流排、銅匯流排、總正總負匯流排、鋁匯流排，也會用到銅軟連接、鋁軟連接、銅箔軟連接等。匯流排和軟連接的加工質量需要從這幾方面去評估。
①材料材質是否復合要求，匯流排材質不達標將會增加電阻率，尤其需要確認是否復合ROHS相關要求。
②關鍵尺寸加工是否到位。關鍵尺寸的超差有可能會在裝配過程中導致高壓器件之間的安全距離不夠，并造成嚴重的安全隱患。
③軟連接的硬區(qū)的結合力以及軟區(qū)的應力吸收狀況。
④實際加工的軟連接及匯流排的過流能力是否達到設計標準，絕緣的熱塑套管部位是否存在破損的情況。
以上就是關于鋰電池制造工藝流程及PACK基礎知識介紹，展望未來，鋰電池能否滿足人們對便攜式蓄能裝置的要求？若能從成本和性能上得到提高，鋰電池的應用將會大大擴展，使很多新技術得以突破蓄能的瓶頸。對鋰電池的研究有相當一部分是關于電極材料的。具備更高放電速率、更大電容量和足夠高電壓（僅對正極）的電極能顯著提高鋰電池的能量和功率密度，減小體積，降低成本。
