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=剪切應力τ/剪切速率γ。 ? ? ? ? ? 而剪切應力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：剪切應力與剪切速率的關系呈直線正相關，在給定溫度下流體粘度與剪切速率無關。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?。慌蛎浶粤黧w：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電劑顆粒之間的膠體相互作用導致顆粒聚集，團簇形成，主導著流變行為。本文以石墨、炭黑導電添加劑顆粒、PVDF聚合物粘合劑和NMP溶劑組成的負極漿料為例，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，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構。 ?

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。（d）炭黑（左）和石墨（右）顆粒的光學圖像。 ? ? ? ? ?

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，顆粒體積分數(shù)從0.9%到3.2%變化，實驗結果如圖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地位，炭黑分形聚集體相互連接充滿整個漿料網(wǎng)絡。由于顆粒間作用力強，炭黑聚集體積分數(shù)高，相對粘度較高。對于中等剪切速率，當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時，炭黑網(wǎng)絡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)絡的破碎和重整是可逆過程，當降低剪切速率，炭黑顆粒重新形成相互連接網(wǎng)絡，粘度升高。 ?

圖4 ?三種不同顆粒濃度的炭黑和PVDF漿料粘度的實驗結果，右側(cè)示意圖顯示了三種不同顆粒體積分數(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。當炭黑體積分數(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。但是當碳黑顆粒體積分數(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”結構，較高濃度的炭黑顆粒導致聚合物長度越小。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，因為當顆粒間表面到表面距離達到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數(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)添加體積分數(shù)為26%的石墨顆粒，炭黑顆粒仍然形成網(wǎng)絡，石墨顆粒嵌入炭黑顆粒網(wǎng)絡中。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。石墨濃度的進一步增加會導致每個顆粒上吸附的CMC量進一步減少，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）粘結劑相成三維網(wǎng)絡結構，空間位阻作用阻止顆粒的團聚；（c）粘結劑與活性物質(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構，粘度比較高。 ?

圖6? 粘結劑與顆粒相互作用示意圖 ? ? ? ? ? 對于高鎳材料，采用PVDF粘結劑時，材料表面的殘堿基團會導致PVDF發(fā)生脫氫氟化反應，而形成碳-碳雙鍵。這些C=C雙鍵結構會使PVDF鏈之間進一步發(fā)生交聯(lián)，在整個電極漿料中形成凝膠網(wǎng)絡。這種交聯(lián)是不可逆的反應，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； 導電添加劑：促進電子傳導；

粘合劑：用于粘合活性材料和導電添加劑。? ? ?

對于高容量的電池，需要降低導電添加劑和粘結劑的比例，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，需要適量的導電添加劑和粘結劑。這種權衡使得優(yōu)化活性材料和導電添加劑的比例非常重要。? ? ??

活性材料和導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，這有助于提高電池容量。導電劑的分散程度也很關鍵，如果電極漿料混合不良，則導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)部結構如下圖所示：

（1）導電劑和活性顆粒都沒有充分分散；

（2）導電劑和活性顆粒充分分散，但是相互作用力弱，彼此分離；

（3）導電劑和活性顆粒充分分散，形成導電劑包覆活性顆粒并鏈接成網(wǎng)絡的結構，這是理想的漿料結構；

（4）導電劑含量過多時，形成的部分團聚和形成部分網(wǎng)絡的漿料結構。

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

漿料分散將采用機械（如高速剪切分散）或化學方法（分散劑），西安理工大學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，并能構建更好的內(nèi)部結構。

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)形成導電劑包覆LiCoO2顆粒的結構，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的局部團聚有促進作用。PVP能促進CB和PVDF之間的相互作用，在LiCoO2周圍形成導電層結構，但PVP會導致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結構，如下圖中所示。??

CMC通過靜電排斥分散機理作用于漿料中導電劑顆粒和LiCoO2顆粒的表面，有效地防止了顆粒間二次團聚，在漿料中形成了導電劑包覆LiCoO2顆粒結構?？傊?strong>離子型分散劑CMC可以在LiB漿料中形成導電路徑、CB包覆的LiCoO2網(wǎng)絡結構以及良好分散的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)部結構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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疊片電池制造技術路線

目前在限制純電動汽車續(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。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：

通過固定卷針進行的卷繞，將前期處理好的正極極片、隔膜、負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、負極片分割成要求尺寸，隨后依照順序?qū)⒄龢O片、隔膜、負極片、隔膜對疊成“三明治”結構，后將多個“三明治”結構疊合，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，把正負極連續(xù)固定到隔膜上，隔膜“Z”字形穿行其間，隔開正負兩極，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)設備的70%，而在鋰電設備中，中段設備價值比重約為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行設計，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，在片長位置設置Mark 孔定位，在檢測到Mark孔時進行切斷；

疊片由于極耳間距相同，可進行等間距切斷。

芯包成型工序主要差異：

（1）極片狀態(tài)：

卷繞的正負極片連續(xù)；

疊片的正負極片是片狀物料。

（2）芯包完成判定：

卷繞檢測到Mark 孔時進行裁斷，完成芯包卷繞；

疊片按照正負極片的設定數(shù)量進行疊片，達到設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、毛刺控制技術的進步，疊片工藝有望得到大規(guī)模應用。

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，而疊片結構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)部結構更加穩(wěn)定：在電池循環(huán)過程中，伴隨鋰離子的嵌入，正、負極片均有膨脹，卷繞電池在拐角處內(nèi)外層的內(nèi)應力更容易產(chǎn)生差異，形成波浪狀的變形，導致電池界面變差，電流分布不均勻，造成內(nèi)部結構出現(xiàn)不同程度的褶皺，這是由于電池膨脹原理決定的，通過制造技術只能改善，不能消除。而疊片電池不存在拐角內(nèi)應力不均勻問題，每層膨脹力接近，因此可以保持界面平整，內(nèi)部結構更穩(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)應力無法充分釋放，可能導致拐角處斷裂，進而產(chǎn)生脫粉、鋰枝晶生長等問題，甚至引發(fā)電池內(nèi)短路，帶來熱失控風險。而疊片電池拐角處受力均勻，降低電池安全風險問題。

（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，由于受到卷針結構的限制，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)模應用的核心問題：

（1）生產(chǎn)效率低：

以國內(nèi)主要設備廠商的參數(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行一次截斷，而疊片電池需要按照規(guī)定的長度對極片進行數(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，導致電池自放電或電池內(nèi)部短路問題，影響電池安全性，進而限制大批量生產(chǎn)。

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疊片機設備路線介紹

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

熱復合堆疊片機是將正負極片與隔膜熱復合，隨后經(jīng)輥壓，裁切成復合單元再進行疊片，屬于制袋式疊片機，相較于Z 字型疊片，有送片復合工序，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。

熱復合Z型疊機也是將正負極片分別與隔膜復合，與堆疊不同的是，隔膜連續(xù)不切斷，正極復合在上下兩側(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，復合Z型疊片更合適電芯大規(guī)模的制造，高速復合Z型疊片機的技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

設備效率高

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險；

正負極完全隔斷，無交叉感染的安全風險；

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行實時在線拍攝，因而得不到準確的極片對齊度數(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，因而復合疊片更適合未來的半固體，固態(tài)電池的結構與制造。

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結論與展望

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到800萬左右，再加上安全方面的隱形改善，能達到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構。但是要獲得高品質(zhì)的電芯結構，制造裝備必須率先取得高質(zhì)量的發(fā)展。因此，疊片設備的進步以及制造技術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，因此被廣泛應用于各種領域。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致電池內(nèi)部的溫度升高，增加電池的安全風險；

四是電極和電解液的接觸面減小，阻礙了電極反應的進行，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；

二是改進電池的設計和制造工藝，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，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；二是改進電池的設計和制造工藝，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.?結論

電解液量不足或過多都會對鋰電池的性能產(chǎn)生負面影響，因此需要采取相應的措施加以解決。通過優(yōu)化電解液的組成和配比、改進電池的設計和制造工藝、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锰峁┮欢ǖ膮⒖己蛶椭?/p>

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)的領導者。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構。電池就像一個儲存電能的容器，能儲存多少的容量，是靠正極片和負極片所覆載活性物質(zhì)多少來決定的。正負電極極片的設計需要根據(jù)不同車型來量身定做的。正負極材料克容量，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。而鋰離子電池負極材料一般都是碳素材料,如石墨就是應用最廣泛的負極材料,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格管控，此外，在攪拌的這一過程中需要嚴格控制粉塵，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。否則會導致電池放電過快，甚至會出現(xiàn)安全隱患。 ? 將銅箔上負極材料壓緊再切分——冷壓與預分切 ? 在碾壓車間里，通過輥將附著有正負極材料的極片進行碾壓，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，另一方面也會進一步管控粉塵和濕度。 ? ? ? 冷壓就是將鋁箔上的正負極材料壓緊壓實，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)生嚴重的安全隱患。 ? 切出電池上正負極的小耳朵——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電極耳。我們知道電池是分正負極的，極耳就是從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，通俗的說電池正負兩極的耳朵，是在進行充放電時的接觸點。 ?

通俗的說電池正負兩極的耳朵是在進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行分切。 ? ? ? 完成電芯的雛形——卷繞工序 ? 在這里，電池的正極片、負極片、隔離膜以卷繞的方式組合成裸電芯。先進的CCD視覺檢測設備可實現(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)部水份達標，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，到達另一電極，完成充放電過程。電解液的注入量是關鍵中的關鍵，如果電解液注入量過大，會導致電池發(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行激活的過程，通過充放電使電芯內(nèi)部發(fā)生化學反應形成SEI膜（SEI膜：是鋰電池首次循環(huán)時由于電解液和負極材料在固液相間層面上發(fā)生反應，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，再加上保護電路和保護殼，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。需要通過嚴格篩選，將一致性好的電芯按照精密設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)過程也是相當復雜，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 ? 對每個電芯表面進行清洗（CATL寧德時代采用的是等離子處理技術保證清潔度）。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？原因在于，等離子清洗技術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)整體和局部以及復雜結構的清洗。 ? ? ? 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的高精度的涂膠設備以及機械手協(xié)作，可以以設定軌跡涂膠，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——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。標準化的模組設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，并不涉及其他構件。 ? 其實，電動汽車從最初的設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行“生存”挑戰(zhàn)。 ?

CATL寧德時代的測試標準是,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準是外部燃燒130秒，電池不起火、不爆炸。然而，作為行業(yè)領軍企業(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，的國家標準，更達到了在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構穩(wěn)定，其模擬車輛通過路障時，瞬間顛簸對電池包結構的沖擊。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構的沖擊。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，但是作為一個負責任的廠商,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)部結構被破壞，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準一般是不起火、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。 ? ? 結束語 自此經(jīng)過數(shù)不清的復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，是取勝的關鍵，但在新能源行業(yè)當中逆水行舟不進則退，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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