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多圖解密18650電芯的誕生過程

瀏覽次數: 日期:2016-05-13

         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,適用於非常註重體積、便攜的數碼產品。同時,相對於以往的幹電池,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。由於負極中鋰離子的化學勢能高於正極,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。由於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。
微型計算機雜誌2014年11月上刊登本站原創文章《零距離接觸移動電源“內心”世界——解密18650電芯的誕生過程》,作者:cooldiy_cn、小妖。

         18650是目前最常見的鋰電封裝方式,無論是當下最流行的三元材料,還是國家力推的磷酸鐵鋰,以及尚未普及的鈦酸鋰,均有18650的規格。18650型電芯,采用Cylindrical圓柱形封裝方式,這種電芯直徑18mm,長度65mm,廣泛應用於充電寶、電動車、筆記本、強光手電筒等領域,這類封裝的好處是規格統壹,方便自動化、規模化生產,具有機械強度高、耐沖擊性強、良品率高等特點;此外還有Prismatic方形軟包封裝,常見於手機和平板電腦,這類封裝最直接的好處是輕薄,體積小,便攜。
在筆記本電腦時代,18650電芯還只是數碼產品的幕後英雄。隨著智能手機和平板等智能設備的普及,移動電源成為了人們出行必不可少的裝備,18650也得以開始從幕後走向前臺,被大眾所熟知。那麽,看似簡單的18650電芯是如何誕生?它有什麽秘密呢?接下來,讓我們壹起去探索它的誕生過程。近日筆者有幸進入東莞壹家電芯廠拜訪學習,將從塗布、組裝、測試三方面圖文並茂,為大家介紹18650電芯的誕生過程。
電芯的生產過程壹:塗布

         進入生產車間之前,需要戴上口罩和鞋套,避免吸入粉塵和產生靜電。首先從塗布工藝了解起,這道工序中可以看到大卷的銅箔(黃色)和鋁箔(銀色)。鋁箔,是用來塗布鎳鈷錳NCM三元材料;反之,銅箔是用來塗布負極活性材料石墨;其中白色的為隔膜。全球鋰電池隔膜主要被Asahi、Celgard、SK、toray、W-SCOP等廠商占據,這些國外企業把持了近70%的市場份額。而中國隔膜企業所占的市場份額約30%,鋰電池隔膜自主國產化正在不斷突破。電芯的容量,是根據這些配方的調配比例面積得來。

         壹整卷塗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幹段,每壹段代表壹顆電芯所需的用料。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,每噸材料可以用於生產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,光這壹項開支每日就需要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),下壹步進行5個級別的稱重,分別是偏重、A1、A2、A3、偏輕。這個跟CPU晶圓挑選壹樣,同壹批切割工藝,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,其中壹棟三層是生產線,另外兩棟是辦公室和宿舍。生產線壹樓塗布、二樓組裝、三樓測試。參觀完壹樓後,進入二樓的組裝環節。

         分類好的正極和負極,將在這裏完成全自動卷包,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。自動化卷包好後直接滾落在了流水線上,進入下壹個組裝步驟裝入鋼殼。

鋼殼是壹體沖壓成型,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。

         這壹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,組裝小妹的手中有壹個銅釘,先從預留的小洞插入底部,然後放入點焊機,哢嚓壹下,負極就打好鎳帶與鋼殼底部連接好了。

         電解液在密封箱充滿惰性氣體氬氣的手套箱中內註入,密封箱手套內氧氣濃度必須低於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, 裝置裏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,裝置中的幹燥劑吸收水分,保證箱內氣氛的幹燥。


         註入電解液後的電芯,已經通過激光焊接將蓋帽與鋼殼連為壹體。壹排排整齊有序的堆放著,整裝待發。

壹只新的電芯就這樣誕生了。每壹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,這裏我們看到了綠、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
         電芯在註入電解液後,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。化成采用分容櫃完成。

          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。確保三個壹致性:容量壹致、內阻壹致、電壓壹致。如此方能正常出廠,否則把被打入冷宮,淪為B級、C級電芯。
          第壹個測試,容量。為了確保容量測試的準確性,該廠采購了行業領先的貝爾全自動分容櫃,滿足每日上萬只的分容需求。新誕生的電芯,需要做5個循環老化測試,把不能工作或者容量有偏差的挑選出來。依據國家標準GB/T18287-2013《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規範》,按照0.2C充放電測試。以合適的電流充電至4.20V截止(高壓版本需要充到4.30V或4.35V),靜置壹段時間(15min以上)使電池溫度接近室溫且電池內極化基本消散。測試采用0.2C放電至2.75V終止電壓,達到所標註的容量,才算合格。這裏的C是壹個倍率單位,以2600mAh電芯放電為例,0.2C則為520mA放電。
          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;低於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。同壹裝箱裏面的電芯電壓3.7V±0.05,方便多節並聯或者串聯使用下,整箱抽出使用。每壹箱的電芯都做過三個壹致性配對,因此不推薦跨箱使用,這也是國際上通用的方法。
          除了壹致性測試,每壹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,確保每壹個批次品質最佳。
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,筆者將剖析壹支全新的18650電芯,壹探內部究竟。18650電芯在內部硬件設計有兩重保護,分別是CID(Current Interrupt Device)泄壓安全閥和PTC(Positive Temperature Coefficient)熱敏電阻。其中安全閥是每壹顆18650電芯的標配,也是最重要的壹道防爆屏障,沒有之壹。
CID和PTC的工作原理:當電芯內部溫度異常,由於過充電、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,那麽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,由於電池的熱容量很可觀,升溫沒有那麽快,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,要麽沒有絕緣,要麽就是絕緣不充分。特別是18650頭部,由於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裏,若是不額外增加絕緣保護,正極鎳片邊緣壹旦劃破外皮,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,壹只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。即將開啟壹段新的奇幻之旅,化作充電寶來到妳的手中。

 


 

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