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18650電池電芯的“誕生”

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年11月11日  

鋰電池是目前數碼領域使用最多的電池。其最突出的優點是能量密度高,適用于非常注重體積、便攜的數碼產品。同時,相對于以往的干電池,鋰離子電池可以循環利用,在環保方面也有優勢。鋰離子電池的正負極材料都可以吸收、釋放鋰離子。

但是鋰離子在正極和負極中的化學勢能有所不同。負極中的鋰離子化學勢能高,正極中的鋰離子化學勢能低。鋰離子放電時,負極中存儲的鋰離子釋放出來,被正極所吸收。

由于負極中鋰離子的化學勢能高于正極,這部分勢能差就以電能的形式釋放出來。充電過程則是上述過程的逆轉,將正極中的鋰離子釋放到負極中。由于這種鋰離子在正負極中的來回遷移,鋰離子電池又被稱為搖椅電池。

電芯的生產過程一:涂布

一整卷涂布完成的正負極材料寬約126mm,接下來還需要裁剪成寬度約18mm的7小卷,每卷都會均勻分成若干段,每一段代表一顆電芯所需的用料。

據電芯廠工程師徐工介紹,目前三元正極材料每噸售價為12萬元,每噸材料可以用于生產5萬只電芯;當前電芯產能日均50萬只,需要用到10噸三元正極材料,光這一項開支每日就需要60萬元。

自動化的機器將每段打上鎳帶和絕緣耐高溫的麥拉片(Mylar),下一步進行5個級別的稱重,分別是偏重、A1、A2、A3、偏輕。這個跟CPU晶圓挑選一樣,同一批切割工藝,也會出現不同體質,根據不同體質再分出對應容量,配對出貨。

電芯的生產過程二:組裝

這家電芯廠分為三棟樓,其中一棟三層是生產線,另外兩棟是辦公室和宿舍。生產線一樓涂布、二樓組裝、三樓測試。參觀完一樓后,進入二樓的組裝環節。

分類好的正極和負極,將在這里完成全自動卷包,白色的材質是隔膜。電芯這樣還不能正常工作,需要加入電解液作為媒介,讓正負極發生化學反應,鋰離子才能夠在正負極之間遷移,產生電荷離子輸出能量鋰電池才能進行充放電。自動化卷包好后直接滾落在了流水線上,進入下一個組裝步驟裝入鋼殼。

鋼殼是一體沖壓成型,厚度不足1mm,因此對鋼材強度質量要求很高,這家電芯廠選用的是進口韓鋼材料。

這一步將負極極耳與鋼殼底部通過點焊的方式連接。該廠采用了日系Miyachi激光點焊機,確保了點焊精度和產品質量。點焊機無法焊接鋼殼底部,組裝小妹的手中有一個銅釘,先從預留的小洞插入底部,然后放入點焊機,咔嚓一下,負極就打好鎳帶與鋼殼底部連接好了。

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電解液在密封箱充滿惰性氣體氬氣的手套箱中內注入,密封箱手套內氧氣濃度必須低于10ppm(接近無氧真空環境),防止電極氧化。電解液氬氣通過循環凈化裝置輸入密封箱,裝置里頭有催化劑和還原劑氫氣,通過氫氧反應生成水可以把氧氣除去。同時,裝置中的干燥劑吸收水分,保證箱內氣氛的干燥。

注入電解液后的電芯,已經通過激光焊接將蓋帽與鋼殼連為一體。一排排整齊有序的堆放著,整裝待發。

一只新的電芯就這樣誕生了。每一只電芯都需要穿上按容量分類的“新衣服”PVC套管。

不同的容量對應了不同的PVC封套,這里我們看到了綠、藍、粉等多個色,豐富的外觀顏色增添了電芯時尚感。

電芯的生產過程三:首次充電和測試

電芯在注入電解液后,實際上還沒有存上電,而且此時正負極表面的狀態也沒有達到穩定,必須通過首次充電才能夠正常使用,這種首次充電稱之為“化成”。首次充電時需要充入額外的電量,用來在電極表面產生保護膜,這層保護膜正是鋰離子電池低自放電的奧秘所在。同時,保護膜的性質也影響電池的性能和壽命。因此,化成工藝十分重要。化成采用分容柜完成。

電芯是化學品,為了保障使用安全和壽命,在出廠前需要做好配對按盒分裝,每盒200只。確保三個一致性:容量一致、內阻一致、電壓一致。如此方能正常出廠,否則把被打入冷宮,淪為B級、C級電芯。

第二個測試,內阻。現在電芯廠都配有內阻自動篩選機器,可流水線篩選。18650三元材料,內阻在70毫歐以內,都算合格品;低于30毫歐的算是特挑極品了。如果是磷酸鐵鋰或者鈦酸鋰,內阻能做到20毫歐以內。

第三個測試,電壓。同一裝箱里面的電芯電壓3.7V?.05,方便多節并聯或者串聯使用下,整箱抽出使用。每一箱的電芯都做過三個一致性配對,因此不推薦跨箱使用,這也是國際上通用的方法。

除了一致性測試,每一個批次的電芯還需要抽查完成撞擊、震動、穿刺等數十項破壞性測試,杜絕隱患,確保每一個批次品質最佳。

在此次工廠拜訪學習即將結束時,為了能近距離的了解電芯的安全結構,筆者將剖析一支全新的18650電芯,一探內部究竟。18650電芯在內部硬件設計有兩重保護,分別是CID(CurrentInterruptDevice)泄壓安全閥和PTC(PositiveTemperatureCoefficient)熱敏電阻。其中安全閥是每一顆18650電芯的標配,也是最重要的一道防爆屏障,沒有之一。

CID和PTC的工作原理:當電芯內部溫度異常,由于過充電、短路等原因產生大量氣體,氣壓升高到1.0-1.2Mpa時,安全閥上的碗型鋁片會向上彈起,與下面的鋁片脫離接觸,使電路立即斷開。若是壓力繼續上升,安全閥將破裂,開啟排除內部氣體使內部壓力釋放出來,避免壓力過高造成爆炸。而Prismatic方形軟包封裝的電芯,內部氣壓升高時,最常見的是“懷孕”鼓包現象。

其次PTC熱敏電阻,當電池輸入輸出電流過高時,PTC會發熱升溫,當溫度達到預設值時,PTC電阻會突然增大,切斷外界電流輸入電芯或阻止電芯內部電流輸出,讓電芯停止工作。除了以上兩者外,電池還有不為人知的第三道防線——隔膜。當電池升溫到160攝氏度以上時,隔膜中的微孔會閉合,使正負極被物理隔離,電池自然不會再輸出電流。

既然18650電芯本身是如此安全,為何移動電源起火事故依然不算罕見呢?奧秘就在移動電源本身。移動電源的外殼等組件往往常用到塑料。塑料本身是易燃物,遇到高溫可以自燃。合格移動電源的USB輸出有短路保護,所以當輸出被短路時不會有大電流通過。但是移動電源內部還有從18650到電路板的鎳片或者導線等連接。

若是這部分不幸短路了,那么輸出短路保護是完全無能為力的。而18650電芯本身的PTC只是在電池本身過熱之前能夠切斷電池的電流,由于電池的熱容量很可觀,升溫沒有那么快,或許在導線、鎳片都燒紅的情況下,電池還沒有熱到切斷輸出。這樣燒紅的鎳片和外殼的塑料接觸,發生火災也就在所難免了。

合格的移動電源往往對18650到電路板的導體進行多重絕緣,且所用的絕緣體是耐高溫300度的高溫聚酰亞胺膠帶(麥拉片)和阻燃的青稞紙。同時這段導體有適當的固定設計,防止機械沖擊下導體移動或變形。從而最大限度的保證短路不會發生。但是山寨移動電源就隨意的多,要么沒有絕緣,要么就是絕緣不充分。特別是18650頭部,由于此處有裸露的負極和絕緣外皮包裹的負極。同時正極鎳片也經過這里,若是不額外增加絕緣保護,正極鎳片邊緣一旦劃破外皮,就會立即造成短路。而山寨移動電源往往內部電池固定不好,電池晃來晃去,鎳片也彎來彎去的,這種概率更大了。

到此,一只18650電芯的誕生過程介紹完畢,隨著工廠門口等待裝箱的貨車,他們將運往全國各地。即將開啟一段新的奇幻之旅,化作充電寶來到你的手中。

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