如何解決鋰電池制造過(guò)程中的質(zhì)量控制難題

Introduction

國(guó)際能源署近期的一份報(bào)告顯示，2020 年歐洲電動(dòng)汽車注冊(cè)量達(dá)到 140 萬(wàn)輛，占全部新車銷量的10 %。在中國(guó)和美國(guó)，這一占比分別為 6 %和 2 %。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的力量是鋰離子電池技術(shù)，解決鋰離子電池三個(gè)制造階段中的質(zhì)量控制難題則顯得尤為重要。

為確保電動(dòng)汽車用鋰離子電池符合性能和安全要求，電池制造流程必須滿足嚴(yán)苛的精密性閾值，并采用與高通量自動(dòng)化生產(chǎn)線要求相一致的質(zhì)量控制分析。為可工作狀態(tài)下的電池執(zhí)行性能測(cè)試往往需要耗費(fèi)長(zhǎng)達(dá)數(shù)天的時(shí)間，因此生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制至關(guān)重要。
 
 
解決質(zhì)量控制難題

鋰離子電池有三個(gè)制造階段，每個(gè)階段又包含多個(gè)步驟。每一個(gè)制造步驟都絲毫馬虎不得。例如，電極膜厚度的標(biāo)準(zhǔn)公差只有±2 μm。為滿足這種細(xì)微的公差要求，電動(dòng)汽車鋰離子電池的生產(chǎn)線高度自動(dòng)化。為評(píng)估質(zhì)量并滿足精密性要求，生產(chǎn)線上配置有一系列的分析儀器，生產(chǎn)完成后，還會(huì)再執(zhí)行多種測(cè)量。
 
賽多利斯工業(yè)應(yīng)用經(jīng)理Junkichi Azuma稱，生產(chǎn)線上的這些工具不僅要足夠精確，而且為適應(yīng)生產(chǎn)線的高速生產(chǎn)特點(diǎn)，還必須具備高響應(yīng)性和穩(wěn)定性。和制造流程一樣，這些系統(tǒng)也高度自動(dòng)化，可在制造階段識(shí)別質(zhì)量缺陷并提供響應(yīng)性控制措施。
 

電動(dòng)汽車中的每個(gè)電池組都由數(shù)百個(gè)電化學(xué)電池連接組成
 
 
第1階段：準(zhǔn)備電極

鋰離子電池生產(chǎn)的第一個(gè)階段是準(zhǔn)備電極，即陽(yáng)極和陰極。陽(yáng)極和陰極組件的漿液分開混合。陽(yáng)極漿液一般包含作為陽(yáng)極材料的石墨、高分子粘合劑、其它添加劑和作為溶劑的純化水。在電動(dòng)汽車鋰離子電池中，陰極漿液一般包括由鎳、鈷和錳（NMC）組成的層狀氧化物材料。

涂布步驟完成后，使用熱梯度干燥薄膜，之后這些片材在壓延流程中通過(guò)重型輥?zhàn)�。這個(gè)步驟會(huì)對(duì)干燥的薄膜進(jìn)行壓縮處理，以優(yōu)化活性電極的孔隙率。隨后，這些片材將在真空干燥室內(nèi)進(jìn)行數(shù)小時(shí)的干燥處理，將剩余的水分蒸發(fā)掉。在典型的生產(chǎn)線中，這一處理流程的速度可達(dá)每分鐘 50 米。

在該過(guò)程中會(huì)涉及兩項(xiàng)重要操作：光學(xué)檢查和水分分析
 
質(zhì)量控制：光學(xué)檢查

視覺(jué)檢查是主要的電極質(zhì)量控制方法。由于電極組裝的速度過(guò)快，無(wú)法開展人工檢查。“最常見(jiàn)的方法是使用攝像頭系統(tǒng)和線路檢測(cè)裝置實(shí)施視覺(jué)檢測(cè)。” 德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)電動(dòng)交通組件生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)主席Marc Locke說(shuō)。
 
質(zhì)量控制：水分分析

水分是鋰離子電池的一個(gè)嚴(yán)重威脅。主要問(wèn)題是水會(huì)與電極中的LiPF產(chǎn)生反應(yīng)，并生成氟化氫，而氟化氫是一種高腐蝕性的副產(chǎn)品，會(huì)破壞電池組件。最終制造完成的電池中的水分含量一般不超過(guò)500 ppm。但由于水是陽(yáng)極漿液中一種極具性價(jià)比的溶劑，因此無(wú)法在電池制造中避免水的使用。
 

電池生產(chǎn)線的速度很快，因此在組件生產(chǎn)和電池組裝中，一般使用攝像頭和線路檢測(cè)裝置以光學(xué)方式檢測(cè)鋰離子電池。

組裝電池單元前，需通過(guò)干燥和真空干燥步驟清除電極膜中的殘留水分。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)電動(dòng)交通組件生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)主席Marc Locke表示，在真空干燥步驟中，一般會(huì)定期分析電極樣本中的殘留水分。
 
在這些離線分析中，可以使用能夠精準(zhǔn)測(cè)量低含量水分的熱重分析法水分分析儀，例如賽多利斯MA 100水分儀。水分分析儀也可以用于在準(zhǔn)備電極漿液之前評(píng)估陽(yáng)極和陰極組件的水分含量。
 
 
第 2 階段：組裝電池組

電極充分干燥后，便可以組裝電化學(xué)電池。將大電極片切割為單獨(dú)的電極段，涂覆一層薄的高分子分離膜，然后卷起或折疊小的片材。片材卷或堆垛上設(shè)有線路連接點(diǎn)。將電極裝箱并加入液體電解液。最后將電極箱密封。

質(zhì)量控制：精密稱重

加入電解液后，生產(chǎn)線上集成的在線稱重單元會(huì)對(duì)加入電池中的電解液數(shù)量進(jìn)行稱重分析。賽多利斯銷售經(jīng)理Kyle Lee表示，除了快速響應(yīng)和精準(zhǔn)的稱重，生產(chǎn)線上的稱重單元還必須小巧、防爆，并擁有穩(wěn)定的內(nèi)部校準(zhǔn)系統(tǒng)。賽多利斯作為原始設(shè)備制造商生產(chǎn)的稱重單元被多家韓國(guó)企業(yè)應(yīng)用于生產(chǎn)電動(dòng)汽車用鋰離子電池的美國(guó)、中國(guó)和歐洲的海外工廠。

值得一提的是，為可重復(fù)制造滿足性能要求的高質(zhì)量鋰離子電池，高質(zhì)量試劑是一個(gè)關(guān)鍵要素。同樣，電池研究實(shí)驗(yàn)室和電池質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室都需要使用良好表征的材料來(lái)開發(fā)新型電池技術(shù)和研究電池性能背后的化學(xué)機(jī)制。賽多利斯的Arium®超純水系統(tǒng)可以為實(shí)驗(yàn)室提供穩(wěn)定的高質(zhì)量水，滿足配制和分析儀器的使用需求。
 
 
第 3 階段：完成電池組裝

電池單元完全組裝好后，還必須經(jīng)過(guò)一個(gè)電化學(xué)形成和熟化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可能需要數(shù)天或數(shù)周的時(shí)間。在生產(chǎn)線之外的一個(gè)類似于倉(cāng)庫(kù)的設(shè)施中，對(duì)電池單元緩慢充電，促使在電極表面上形成一個(gè)固體電解質(zhì)界面膜（SEI）。SEI是電池工作過(guò)程中一個(gè)必要的部分。

機(jī)器人會(huì)在倉(cāng)庫(kù)中快速巡視，評(píng)估每個(gè)電池單元的電性能。
 
質(zhì)量控制：電性能

SEI形成后，會(huì)對(duì)電池單元進(jìn)行電性能檢查，例如在數(shù)周內(nèi)測(cè)量電池的輸出電壓的穩(wěn)定性。滿足電動(dòng)車輛要求的性能標(biāo)準(zhǔn)的電池單元會(huì)被組裝在一個(gè)電動(dòng)汽車電池組中并連接在一起。
 
 
未來(lái)的電動(dòng)汽車電池技術(shù)

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的穩(wěn)定改進(jìn)，鋰離子電池制造方法已經(jīng)能夠滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)嚴(yán)格的性能、成本和安全要求。自動(dòng)化生產(chǎn)線不僅集成了一系列分析儀器，生產(chǎn)后也會(huì)執(zhí)行常規(guī)測(cè)試，并由此在電池組件生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)度�，F(xiàn)有和未來(lái)電動(dòng)汽車電池制造流程的精密控制將在這個(gè)快速增長(zhǎng)的行業(yè)中確保安全性，最大程度降低材料和能源浪費(fèi)，并持續(xù)提升消費(fèi)者的信任度。



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賽多利斯MA紅外水分分析儀
下載本篇《驅(qū)動(dòng)未來(lái)：電動(dòng)車輛鋰離子電池的精密制造》白皮書，了解鋰電池制造階段質(zhì)量控制方面難題及賽多利斯相應(yīng)解決方案。

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