制造技术的四个部分(技术｜锂电池制造工艺控制技术分析)

锂电池制造工艺

锂电池制造工艺主要包括：极片制造、电芯制造、封装和测试。在极片制造环节，锂电池生产厂家通常会根据客户需求对电池材料进行挑选，并按照配方要求将原材料投入搅拌槽中，经过混合、搅拌、研磨等工序制成粉状固体，再将其放入涂布机中进行涂布，涂完后送入压片机中进行压实和切片，将切好的片料送入卷绕设备中卷绕成圆柱状后，再经过封装和测试设备对电池进行封装。

在电芯制造环节，锂电池生产厂家会根据客户需求对电池材料进行挑选，并将其投入电池生产设备中进行电芯制造。图1是锂电池的制造流程图。

锂电池制造工艺控制技术

2.1涂布工艺控制技术

涂布工艺是将浆料涂覆于铜箔等导电材料上，形成具有一定厚度和均匀性的导电浆料，再利用涂布机在铜箔上涂布导电浆料，形成具有一定厚度和均匀性的导电集流体，通过干燥、活化、热分解、烧结等工序，形成锂离子电池极片。涂布工艺控制技术主要包括辊式涂布设备、涂布机控制系统、电极张力控制系统、在线测量系统和其他辅助设备等。

（1）辊式涂布设备：由上辊、下辊、侧辊和下压板等组成，通过旋转进行压实和辊压，实现浆料的均匀涂覆。该设备一般用于生产高精度锂电池极片，主要用于卷芯极片的生产。

（2）涂布机控制系统：涂布过程中，上辊与下辊之间形成的压紧力和牵引力决定了浆料在辊上的均匀涂覆。上辊与下辊之间形成的压紧力是保证浆料在辊面上均匀涂覆的必要条件。该系统一般用于卷芯极片生产。

（3）在线测量系统包括实时在线检测设备和远程数据传输系统。实时在线检测设备是对卷芯极片进行在线测量，主要用于检查极片质量；远程数据传输系统是对卷芯极片进行远程在线测量，主要用于生产过程中的数据分析和指导生产。

（4）其他辅助设备包括保护装置、烘干设备、除尘设备等，它们主要用于提高电池极片质量和降低能耗。其中，保护装置主要用来保护辊子不被损坏；烘干设备主要用来控制涂层厚度、均匀性和卷芯的热稳定性；除尘设备是为了防止灰尘进入极片内部影响其质量和安全性。

2.2极片制造技术

极片是锂电池的关键部分，其质量好坏直接影响着电池的性能。锂电池极片的主要材料是碳材料，根据材料不同可以分为石墨、天然石墨和人造石墨。在锂离子电池中，目前常用的碳正极材料有软碳、硬碳和石墨三种。此外，还有很多其他的正极材料，如锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂等，均可用于制备锂电池。在制备电池极片的过程中，需要对原材料进行化学处理和涂布成型等，这两个过程是锂离子电池极片制造的关键环节。

在涂布成型过程中，需要将原材料经过涂布机的涂布、干燥和辊压等步骤形成不同形状的电极极片。目前，在生产极片过程中主要采用辊压机进行辊压成形。而在辊压成形过程中，对压力、温度和速度等参数进行有效控制是至关重要的。具体来讲，就是要根据涂布机和辊压机各自的特性及生产工艺要求来调整压力和温度等参数。此外，还需要考虑材料、模具和设备之间的匹配关系，以保证极片的平整度和厚度均匀性。

在实际生产过程中，要想得到性能良好的极片，需要根据不同材料特点采取相应措施来控制。具体来讲，对于天然石墨来说，其表面光滑且质地坚硬、不易碎裂，具有良好的导电性；而对于硬碳来说，其表面粗糙且质地疏松、不易碎裂；对于锰酸锂来说，其具有较强的腐蚀性和不安全性，在制备过程中需要注意对其进行保护处理。此外，还需要根据不同材料性质采用不同涂布方法和工艺参数来制备极片。例如在制备软包软锂电池时就需要采用涂布法制备极片。

2.3涂布工艺

涂布是锂电池制造过程中非常重要的一个工艺环节，浆料通过辊压成膜的方式，形成具有一定厚度的薄膜，以满足锂电池正负极材料的接触。涂布过程中需要控制好涂布量和涂布速度两个重要参数。

（1）通过辊压工艺将浆料涂在钢辊表面，形成一定厚度的薄膜。然而，由于锂电池极片的厚度一般在10μm以下，而涂布的厚度一般在100μm以上。因此，在生产过程中，需要根据产品所需的性能要求来确定涂布厚度和涂布速度。若使用高速设备进行生产时，一般建议设定较高的涂布量来保证极片的厚度及性能。

（2）辊压是将浆料涂在钢辊表面上形成薄膜的工艺过程。因此，控制辊压工艺中钢辊表面的粗糙度及辊压压力就显得非常重要。同时，为了避免在辊压过程中浆料产生粘连现象，需要控制好辊压辊面与电极之间的距离及辊压压力。另外，为了保证浆料能在辊压过程中充分混合均匀，需要控制好浆料中各组分之间的比例关系，以及浆料在辊压过程中保持稳定状态。

（3）在涂布速度方面，为了保证极片不产生气泡、皱皮或毛刺等现象，一般采用较低速度进行涂布。但是，高速设备在高速运行时会产生较大的热量和风压压力，会造成浆料温度升高和浆料流动不均匀等现象。因此在设计工艺时应充分考虑这些因素对设备的影响，并进行相应优化以提高生产效率。

此外还应注意控制好涂布厚度和涂布量两个参数之间的关系。一般来说，需要根据产品性能要求确定涂布量并控制好涂布量。涂布量过大会造成材料浪费、涂布不均匀或表面缺陷等问题；涂布量过小会造成产品厚度不均、边缘效应等问题。

2.4叠片工艺

锂电池叠片的主要目的是将多个小电芯叠放在一起，形成大容量的电池，以满足电动汽车或者储能系统的使用要求。由于锂电池材料特性、生产工艺等方面的原因，目前主要采用钢壳电池和铝壳电池两种形式。由于铝壳电池具有质量轻、易运输等特点，目前应用较为广泛。在铝壳电池中，主要采用叠片式结构，具有更高的比能量和能量密度。

叠片工艺中最关键的技术是极片与隔膜之间的贴合质量，也是叠片工艺控制技术的核心。具体来说，需要解决以下两个方面的问题。

一方面是指电极材料与隔膜之间的贴合要紧密，不能出现虚焊、脱焊等现象；另一方面是指在复合过程中，如果电极材料出现折叠、变形、折叠边缘破损等现象，也会影响其贴合质量。电池内阻要小，以减少电极之间的接触电阻；在复合过程中，电极材料与隔膜之间的接触电阻要小。对以上两方面进行控制和保证时，需要对极片和隔膜两个材料进行检测，保证材料质量和厚度公差符合要求。

2.5分切工艺

分切工艺是在生产过程中对电池进行分切的工序，主要作用是将电池的正负极分开。锂电池的分切主要包括隔膜和极片。目前，锂电池分切设备主要有以下三类。

（1）卷式分切设备：卷式分切中，卷式分切机采用高速卷绕技术，具有高效率、高精度、低成本等优点。但是，卷式分切机对工艺要求较高，对操作人员的技术要求较高。

（2）激光切割设备：激光切割具有切割精度高、速度快、效率高等优点，是目前国内锂电池企业中比较常见的一种分切设备。目前，国内激光切割技术主要有单轴和多轴两种。单轴激光切割机主要采用脉冲式激光切割机，通过高速的脉冲激光器对电极进行加热，实现电极的切割；多轴激光切割机则采用多个高速的刀轴对电极进行切割。国产的高速多轴激光切割机也已经开始量产化。

（3）超声波切割设备：超声波分切机采用超声波传感器对电极进行检测，利用超声波发生器产生高频振荡信号，通过换能器转换成机械振动而传播，在声波作用下产生局部高温使电极熔化或者使塑料熔化或气化，从而达到将电极材料和塑料分开的目的。超声波分切机可以实现自动上料和下料、自动进给、自动定尺、自动分条和自动收集等功能。

总之，在锂电池的生产制造过程中，从极片制造到电芯组装，工艺控制技术主要包括极片制造工艺控制技术、涂布工艺控制技术和电芯组装工艺控制技术等。随着锂电池应用领域的不断扩大和其安全性能的提升，对锂电池生产制造中的各个环节都提出了更高的要求。为保证锂电池在安全、可靠的前提下实现大规模应用，需要在各个生产环节中采取更加严格、精细的工艺控制手段。此外，在锂电池制造过程中还涉及化学活性物质、隔膜、电解液、黏结剂等多种材料的配合和应用，这也是一个复杂而又非常关键的过程。

2.6化成工艺

化成是电池在充放电循环过程中，锂电池内部的正负极材料与电解液之间发生化学反应，形成新的电极反应产物，同时释放出大量的热，进而降低电极活性物质的极化。通过化成可以使锂电池内阻增加、容量衰减，最终达到提高锂电池循环性能的目的。化成过程主要包括如下。

①化成前准备：将极片、隔膜、集流体等材料进行干燥；

②化成：将锂片在化成炉中化成；

③后处理：对化成后的电池进行过充、短路、过放等一系列物理和化学测试，并对测试结果进行分析与整理；

④极片的分容：对电芯进行分容，将电芯进行分容后与标准电芯对比检测。极片分容是锂电池制造过程中非常关键的一个环节，可以将容量偏差较大的电芯进行重新组装，以提高容量偏差较小的电芯的循环寿命。

锂电池在充放电过程中会产生热量，通过化成可以使锂电池温度降下来。在电池温度降下来之后，再对电池进行恒流充电，增加电流可以将电池中的热量释放出来。在充放电循环过程中，锂电池内部会发生极化现象，在极片中会产生一些杂质颗粒。通过化成可以去除这些杂质颗粒，提高锂电池内部的电阻率，同时提高锂电池的容量。锂离子在充放电循环过程中会发生迁移现象，通过化成可以防止锂离子在充放电过程中迁移。

2.7分容工艺

分容是指将单体电池从成组后的电池中取出，进行容量测试，根据容量来判定电芯的质量好坏，然后对电芯进行装配。分容工艺主要包括分容机、分容钢带和分容设备。目前，分容工艺主要有两种方式：一种是直接从成组后的电池中取出；另一种是对成组后的电池进行放电。锂离子电池的分容是指将单只电芯从极片上分离出来，然后再将多只电芯重新组装成单只电池。锂离子电池的分容工序主要包括：电芯下料、极片裁剪、分选和分容钢带的裁切、分容设备的安装调试。锂离子电池的分容工序主要有两种方式：一种是利用分容机进行分容，另一种是利用分容钢带进行分容。目前，国内外锂离子电池厂商所采用的分容设备主要有以下几种。

（1）自动分容设备，主要包括连续输送带、双伺服直线往复机构、往复直线移动机构等。

（2）半自动分容设备，主要包括一维输送带、伺服直线往复机构等。

（3）自动分容设备，主要包括连续输送带、双步进机构等。

锂离子电池的分容工序主要包括。

（1）对成组后的单只电芯进行测量和分选。

（2）对多只电芯进行测量和分选。

（3）对多只电芯进行放电。

（4）将成组后的多只电芯重新组装成单只电池。

（5）对成组后的多只电芯进行充电。锂离子电池在分容过程中，由于锂离子电池极片表面会残留一些颗粒状物质，因此需要对这些颗粒状物质进行清理，以保证电池极片表面的干净整洁。

总结

在锂电池生产过程中，严格按照生产工艺要求进行生产，加强对各个工序的质量控制，将有助于提高生产效率和产品质量。在极片制造过程中，需要严格控制原材料的质量，确保其符合产品要求。同时，对于每一道工序，都需要精细化操作，确保生产出符合质量标准的极片。特别是在制备过程中，应该注意控制浆料的pH、黏度、均匀性等因素，以确保极片质量的稳定性和一致性。涂布工艺控制技术是制造锂电池的一个关键环节，其质量直接影响到电池的性能和寿命。在涂布过程中，需要严格控制涂布量和涂布速度，以保证涂布均匀、厚度一致。同时，需要注意选择适当的涂布工艺参数，如溶剂比例、干燥温度、干燥时间等，以保证涂布效果和质量的稳定性。电池组装工艺控制技术是制造锂电池的最后一道工序，其质量直接影响到电池的性能和稳定性。在组装过程中，需要严格控制化成和分容的质量控制工作，以确保电池的性能和寿命。同时，需要注意加强对电池组装过程的全程监控，以便及时发现和解决生产过程中出现的问题。

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文献参考：吴宝程,徐莹,马超,马新荣.锂电池制造工艺控制技术分析[J].化工设计通讯,2023,49(8):140-142