国内外锂离子动力电池极片制造专用设备的新进展

发表时间:2018/9/17   来源:《基层建设》2018年第20期   作者:钟俊文
[导读] 摘要:锂离子动力电池是一种新型高能电池,目前,它已经取得了较大的成功,而推动这个产业发展的是先进的动力电池制造专用设备。
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        摘要:锂离子动力电池是一种新型高能电池,目前,它已经取得了较大的成功,而推动这个产业发展的是先进的动力电池制造专用设备。中国锂离子电池制造设备企业,已经极大地提升了其制造技术水平,正在逐渐缩小与国外先进制造技术水平的差距,而且有些方面已经开始赶超国外。基于此,本文基于对国内外锂离子动力型电池极片生产制造专用设备的现状与发展的介绍,主要研究了极片制造专用关键设备的有关技术,以期为中国锂离子动力电池极片的生产制造提供参考。
        关键词:动力电池;锂离子;极片;专用设备
        锂离子动力电池制造技术是现代混合电动车及动力车工程技术及应用技术的基础。而用于动力电池生产的专用设备为锂离子动力电池的产业化提供了条件。预计2020年混合动力车数量将为世界汽车总数的一半。在2010年以前,中国动力电池产业发展将达到最高点。而完全通过从国外进行锂离子动力电池设备和技术的购买,将不太可能,尤其是先进的极板制造设备和技术,不仅价格非常昂贵,而且一般也与中国国情不符。所以,为了我国动力电池的可持续发展,必须加强其研发力度,设计出新型的动力电池生产线及流程,并实现其产业化。为此,下文进行了有关分析研究。
        1 现状与发展
        近几年,随着动力电池生产规模的快速扩大,国内外锂离子动力电池极片制造专用设备发展也异常迅速,从而要求更高的动力电池极片安全性,进而要求其制造设备的性能也相应地更高,主要包括设备的智能化、自动化、数字化和效率、精度及稳定性的提高,而其他的方面具体可归为:
        (1)在设计和制造设备时,融入所造电池的工艺参数及技术,确保通过设备能真正保障电池制造的独特技术工艺。
        (2)制定更加严格的设备防爆性、安全性及三废排放标准。
        (3)设备应便于更换电池、维护及维修。
        2 分析国内外的极片制造专用关键设备的情况
        2.1 真空搅拌机
        由于动力电池的极片量庞大,必须搅制非常多的电池正负极浆料。为了确保电池的一致性,同一批次浆料必须一致,所以搅拌机需要不断增大容量,同时也需要进一步研究以下关键技术:
        (1)针对高速状态下的腐蚀性气体,开发的真空密封技术。
        (2)为降低高速状态下,搅拌导致的材料磨损所采用的技术。
        (3)接触电池浆料的材料需要具有高耐磨性、耐蚀性及物理化学稳定性。
        (4)搅拌形式必须确保整个搅拌过程无死点,并尽可能避免局部温升,材料粒度分布应均匀。
        (5)降低搅拌拐对浆料的影响,尤其是对粘结剂分子的影响。
        (6)应特别注重搅拌机设计的防爆性及安全性。
        国外锂离子电池制造厂的有关资料显示:在整个锂离子电池的制造工艺中,搅拌工艺对产品的影响度在30%以上,它是整个生产制造工艺的最关键的环节。目前,国外新型锂离子动力电池极片制造的专用搅拌机,针对高速搅拌拐的特点,选择多级冲动叶轮,意思就是:一根高速轴上会配备多个叶轮,而每个叶轮上又配有倾斜的叶片,且叶片长度延伸到接近挡板或器壁的位置。在叶轮转动时,通过反向倾斜的叶片,靠近桶中心的液体会流向下方,而靠近器壁的液体会流向上方,且自由湍动及壁面湍动都为剪切流湍动。此外,国外搅拌机的低速拐选用了双螺旋同步搅拌,很好地解决了浆料“打旋”问题。电池锂离子浆料具有多相系统特性,离心力不是进行混合,而是促进分层或分离产生,固体颗粒被抛向筒壁,之后沿筒壁下沉,最后落到底面上,“打旋”现象便出现了。搅拌桶和搅拌拐必须选用耐腐蚀材料,另外,密封系统的元件必须是净铜,以防铁、铜等元素影响浆料。大部分国外的搅拌机都采用供料配料自动的搅拌系统,从而实现了粘结剂、粉料及溶剂的配比自动化,有效避免了人为搅拌而造成的干扰,而且便于精确控制搅拌工艺流程,从而确保了浆料批次的稳定性及一致性。


        2.2 正负极片滚压机
        结合锂离子动力电池生产工艺要求分析,得出轧制极片的工序主要需要解决以下有关技术问题:
        (1)在轧制极片的过程中,必须降低其延展率,并尽可能地减少对微孔构架的破坏。
        (2)在轧制极片后,必须提高其材料表面的密实度,并确保其具有一定的平整度。
        (3)在轧制极片后,还必须减少其表面材料的反弹。
        目前,随着科技的快速发展,大部分国内外主流设备都应用极片连续轧制方法,包括放卷、切边、收卷及滚压。其中大部分工艺必须进行加热,因为加热轧辊后,难以控制其变形,所以,轧辊极片前,必须采用烘箱,预热极片。国外许多国家常采用油对过辊加热的方法,实现对极片的加热。分析国外目前的发展情况发现,对于动力电池极片滚压机,最流行的机型为:800至1000毫米的辊径,600至700毫米的辊面宽度,200至300 吨的最大轧制压力,12至15米/分钟以上的极片轧制速度。轧辊采用高精度的复合辊。选用大辊径滚压机的目的主要为了在滚压密实极片时,减小压入角,以几乎平压的方式,使极片的延展率得以减低,从而确保其平整度、也不破坏其涂层材料的微孔构架结构,并且极片注液后,其表面也不掉粉、不反弹。
        由于科技的不断进步,电池极片的设计随之也越来越灵活多变,正反面长度通常不对称,而且用涂布进行间隔,从而导致在轧制极片的过程中,极板的厚度突变,但轧制力却无法及时响应的现象,产生轧制后极片密度不均等问题。所以,国外引入了液压伺服系统,实现了控制精度和响应速度的同时提升,而且方便更换轧辊。
        2.3 分切机
        分切机是一种制造锂电池动力极片的专用关键设备。分切机主要根据电池规格,对碾压过的电池极片,实施分条工序。目前,国内外主要有卷绕及叠片两种锂电池电芯制造工艺。为了确保下一道制作电芯的工序能顺利进行,所有必须满足极片工艺的要求。但是,相较于国外的极片制造技术,国内仍然有很多欠缺。
        当下,日本的分切机发展迅速,西村为电池极片专门分条开发的分切机机型成为了国际上的主流机型。该机型具有除尘和自动分切功能,满足了电池工艺的基本要求。今后国内外主要需要进一步突破以下关键技术:
        (1)针对极片边缘问题的毛刺控制技术。
        (2)针对极片运行问题的张力控制技术。
        (3)针对切刀磨损问题的材料及工艺改进技术。
        (4)针对设备全自动控制问题而开发的技术。
        国外的主流全自动分切机机型的分切机构采用连续剪切的方式,解决了极片分切时出现的毛刺问题,而且也大幅度地提高了极片的分切精度。国外采用了无级环锥式变速器的分切机,有效实施了差速分切原理。考虑到自身材料及电池工艺的要求,分切的极片不能承担过大的拉力,所以该分切机选择了气动滑差结构。上下收卷轴的带动通过独立的变频电机来实现,结合在线检测获得的卷径变化情况,计算出相应的锥度,通过电气比例控制阀,来实现对滑差套摩擦力的控制。该设备通过气动滑差收卷,有效控制了材料收卷张力,在稳定分切精度的同时,又使收卷质量得以保证。通过带式无级变速,对极片的边料收集,进行了很好的控制。
        3 结语
        目前,随着中国锂离子动力电池工艺技术的快速发展,其市场也在逐渐完善,进而促进了锂离子动力电池极片制造专用设备技术水平的提高,从而正在迅速缩小与国外的差距。而且,中国已经拥有了具有自主知识产权的该类产品。为了能参与国际竞争,我国锂离子动力电池极片制造专用设备企业应积极组织国内有关企业进行联盟,并加强与国外相关企业的合作。
        参考文献
        [1]曾程.锂离子电池浆料高效超细分散装备技术研究[D].江南大学,2009.
        [2]杨鹏,王福兴,孔令宇.浅谈一种新型锂电池极片自动称重分选机的研究[J].科技致富向导,2015(5):109-109.
        [3]孟聪娟.浅谈PLC在锂电池极片连轧线上的应用[J].职业,2013(21):100-100.
        [4]赵劼.锂离子电池极片涂层厚度监测系统研究[D].天津大学,2007.
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