CATL寧德時(shí)代生產(chǎn)車(chē)間｜電芯是怎么制造出來(lái)的？
作者：管理員 時(shí)間：2018-05-28 瀏覽量：18792017年CATL寧德時(shí)代奪下了全球鋰離子動(dòng)力電池銷(xiāo)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(dòng)力電池行業(yè)的領(lǐng)導者。這家成立于2011年的年輕新能源企業(yè)為何能夠后來(lái)居上？為何能保持著(zhù)車(chē)用鋰電池“零事故”的行業(yè)記錄呢？
近日，在央視2套播出的紀錄片《大國重器》更加激起了我對CATL寧德時(shí)代這家明星企業(yè)的興趣。而今天就讓我們走進(jìn)CATL寧德時(shí)代的生產(chǎn)車(chē)間，一起來(lái)看看這塊被大眾，寶馬，奔馳爭搶的電芯是怎么制造出來(lái)的。
電芯是一個(gè)電池系統的最小單元。多個(gè)電芯組成一個(gè)模組，再多個(gè)模組組成一個(gè)電池包，這就是車(chē)用動(dòng)力電池的基本結構。電池就像一個(gè)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(lái)決定的。正負電極極片的設計需要根據不同車(chē)型來(lái)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(shí)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(guò)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(shí)間等等都有較高的要求。
這里攪拌的是電池的活性材料
寧德時(shí)代的攪拌車(chē)間對粉塵嚴格管控，此外，在攪拌的這一過(guò)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(shí)代的生產(chǎn)車(chē)間對粉塵的管控水平相當于醫藥級別。
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(cháng)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(lái)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(huì )影響電池的一致性。涂布還必須確保沒(méi)有顆粒、雜物、粉塵等混入極片。否則會(huì )導致電池放電過(guò)快，甚至會(huì )出現安全隱患。
將銅箔上負極材料壓緊再切分——冷壓與預分切
在碾壓車(chē)間里，通過(guò)輥將附著(zhù)有正負極材料的極片進(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(huì )進(jìn)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(shí)，這對提升能量密度也很重要
將冷壓后的極片根據需要生產(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(lái)的金屬導電體，通俗的說(shuō)電池正負兩極的耳朵，是在進(jìn)行充放電時(shí)的接觸點(diǎn)。
而接下來(lái)的分條工序就是通過(guò)切刀對電池極片進(jìn)行分切。
極耳模切簡(jiǎn)單說(shuō)就是做出正負兩極的小耳朵
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(jìn)的CCD視覺(jué)檢測設備可實(shí)現自動(dòng)檢測及自動(dòng)糾偏，確保電芯極片不錯位。
卷繞工序后電芯的雛形基本形成
有了CCD視覺(jué)檢測設備的輔助，CATL寧德時(shí)代的電池生產(chǎn)車(chē)間在國際上屬于自動(dòng)化程度最高的電池生產(chǎn)車(chē)間之一。
去除水分和注入電解液——烘焙與注液
水分是電池系統的大敵，電池烘烤工序就是為了使電池內部水份達標，確保電池在整個(gè)壽命周期內具有良好的性能。
為了去除水分，電芯需要進(jìn)行烘烤
而注液，就是往電芯內注入電解液。電解液就像電芯身體里流動(dòng)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(guò)去，到達另一電極，完成充放電過(guò)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(guò)大，會(huì )導致電池發(fā)熱甚至直接失效，如果注入量過(guò)小，則又影響電池的循環(huán)性。
電芯激活的過(guò)程——化成
化成是對注液后的電芯進(jìn)行激活的過(guò)程，通過(guò)充放電使電芯內部發(fā)生化學(xué)反應形成SEI膜（SEI膜：是鋰電池首次循環(huán)時(shí)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(huì )形成一層鈍化膜，就像給電芯鍍了一層面膜。），保證后續電芯在充放電循環(huán)過(guò)程中的安全、可靠和長(cháng)循環(huán)壽命。將電芯的性能激活，還要經(jīng)過(guò)X-ray監測、絕緣監測、焊接監測，容量測試等一系列“體檢過(guò)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(chēng)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(gè)電芯單體都具有一個(gè)單獨的二維碼，記錄著(zhù)出生日期，制造環(huán)境，性能參數等等。強大的追溯系統可以將任何信息記錄在案。如果出現異常，可以隨時(shí)調取生產(chǎn)信息；同時(shí)，這些大數據可以針對性地對后續改良設計做出數據支持。
單個(gè)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(guò)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，并加裝單體電池監控與管理裝置。CATL的模組全自動(dòng)化生產(chǎn)產(chǎn)線(xiàn)，全程由十幾個(gè)精密機械手協(xié)作完成。另外，每一個(gè)模組都有自己固定的識別碼，出現問(wèn)題可以實(shí)現全過(guò)程的追溯。
從簡(jiǎn)單的一顆電芯到電池包的生產(chǎn)過(guò)程也是相當復雜，需要多道工序，一點(diǎn)不比電芯的制造過(guò)程簡(jiǎn)單。
上料
將電芯傳送到制定位置，機械手自動(dòng)抓取送入模組裝配線(xiàn)。
在寧德時(shí)代的車(chē)間內從自動(dòng)搬運材料到為設備喂料100%實(shí)現了自動(dòng)化
給電芯洗個(gè)澡——等離子清洗工序
對每個(gè)電芯表面進(jìn)行清洗（CATL寧德時(shí)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(guò)程中的污染物不附著(zhù)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(wú)廢液，最大特點(diǎn)是對金屬、半導體、氧化物和大多數高分子材料等都能很好地處理，可實(shí)現整體和局部以及復雜結構的清洗。
等離子清洗過(guò)程
將電芯組合起來(lái)——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(shí)代采用國際上最先進(jìn)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(shí)實(shí)時(shí)監控涂膠質(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。
電芯的涂膠過(guò)程
給電芯建個(gè)家——端版與側板的焊接
電池模組多采用鋁制端板和側板焊接而成，通過(guò)機器人進(jìn)行層壓和端板、側板焊接處理。
線(xiàn)束隔離板裝配
焊接監測系統準確定位焊接位置后，綁定線(xiàn)束隔離板物料條碼至MES生產(chǎn)調度管理系統，生成單獨的編碼以便追溯。打碼后通過(guò)機械手將線(xiàn)束隔離板自動(dòng)裝入模組。
線(xiàn)束隔離板的安裝過(guò)程
完成電池的串并聯(lián)——激光焊接
通過(guò)自動(dòng)激光焊接，完成極柱與連接片的連接，實(shí)現電池串并聯(lián)。
下線(xiàn)前的重要一關(guān)——下線(xiàn)測試
下線(xiàn)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(chē)型，每個(gè)模塊還能夠安裝在車(chē)內最佳適合空間和預定位置。
每個(gè)電池包包含了若干電池單元，與連接器、控制器和冷卻系統集成到一起，外覆鋁殼包裝。通過(guò)螺栓自動(dòng)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(gè)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拆解，并不涉及其他構件。
其實(shí)，電動(dòng)汽車(chē)從最初的設計階段就要通過(guò)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(guò)實(shí)踐測試的考量。在寧德時(shí)代，只有成功通過(guò)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。
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(lǐng)軍企業(yè)CATL寧德時(shí)代卻有著(zhù)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燃燒1小時(shí)后，電池依然沒(méi)有爆炸危險。
連續21小時(shí)振動(dòng)試驗
在日常用車(chē)當中，免不了要通過(guò)一些顛簸路面，電池產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì )引發(fā)質(zhì)量不過(guò)關(guān)的電池產(chǎn)品固定不良，零部件松動(dòng)，甚至外殼破裂最后引發(fā)安全失效的等情況。
所以我們需要模擬車(chē)輛震動(dòng)對電池包產(chǎn)生的影響。振動(dòng)臺用來(lái)模擬電池包在實(shí)際使用中會(huì )遇到的顛簸路況，環(huán)境箱用來(lái)提供不同的溫度環(huán)境，充放電機則用以提供充放電的實(shí)際工作情況。這三部分組成了帶溫度帶負載的振動(dòng)測試系統，真實(shí)模擬了實(shí)車(chē)使用時(shí)的情景。
寧德時(shí)代的一座推力20噸的振動(dòng)臺，用來(lái)模擬電池包在實(shí)際使用中會(huì )遇到的顛簸路況，但其振動(dòng)強烈程度更甚于實(shí)際路況。在試驗中，電池包一秒鐘要被振動(dòng)200下，而電芯模組則要被振動(dòng)2000下。更加嚴苛的是電池包需要在-30℃至60℃的環(huán)境條件下，連續隨機振動(dòng)21小時(shí)，這樣可等效模擬數十萬(wàn)公里的行車(chē)疲勞情況。
加速度達到100G的撞擊測試
與振動(dòng)試驗類(lèi)似，沖擊測試用以測試電池包的機械結構穩定，其模擬車(chē)輛通過(guò)路障時(shí)，瞬間顛簸對電池包結構的沖擊。此外，在更換電池的過(guò)程中有萬(wàn)分之一的幾率遇到電池跌落的情況。所謂不怕一萬(wàn)就怕萬(wàn)一，CATL寧德時(shí)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。
在寧德時(shí)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(shí)事故的擠壓測試
擠壓測試用于模擬電池在交通事故時(shí)受到擠壓的情況，隨著(zhù)電池變形程度的增加，正負極集流體會(huì )首先被撕裂。在短路點(diǎn)產(chǎn)生非常大的電流，熱量集中釋放，引起短路點(diǎn)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。
與現實(shí)車(chē)禍事故最為貼近的擠壓測試
在擠壓測試找那個(gè)電池包外殼出現了明顯的變形，內部結構被破壞，電芯被內部零部件刺破，出現高壓短路，造成熱失控。對于擠壓測試的通過(guò)標準一般是不起火、不爆炸。而寧德時(shí)代的電池產(chǎn)品，甚至可以再擠壓變形的情況下，繼續正常工作。
在寧德時(shí)代的擠壓試驗中，施加給電池包的力是十噸。12米大巴車(chē)重量為7噸，加上乘客和行李的重量接近10噸，也就是說(shuō)這至少可以模擬一輛12米大巴車(chē)撞擊時(shí)的擠壓。
結束語(yǔ)
自此經(jīng)過(guò)數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(chē)用電池單元終于誕生了，但是對于質(zhì)量的把控來(lái)說(shuō)這并沒(méi)有結束，為了把控在日常使用時(shí)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(wú)二的編碼，如果未來(lái)那塊電池甚至那顆電芯出現故障，可以追溯到那條生產(chǎn)線(xiàn)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(lái)說(shuō)，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(kāi)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)品的穩定性和好口碑，是取勝的關(guān)鍵，但在新能源行業(yè)當中逆水行舟不進(jìn)則退，未來(lái)需要不斷推出有市場(chǎng)競爭力的產(chǎn)品，才能始終挺立在業(yè)界最高峰。
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