锂离子电池不同封装方式的对比:具体软包 方形 柱状电池封装的对比?

锂离子电池不同封装方式的对比:具体软包 方形 柱状电池封装的对比?
关注者
198
被浏览
22,739

12 个回答

首先,卸腰~

其次,我不干锂电好多年,我不爱苦逼的实验……

当然,当年做过的那些个东西还是记得的,起码给你们解(hu)答(you)还是没有问题滴。

题主问的是各种类型的电芯在封装上的不同,因为我只做过软包电芯,所以无法做对比,以下仅介绍一下软包电芯(也就是常说的聚合物电芯)的封装方式。

答主仅凭自己的有限的经验做描述,不代表所有的软包锂电厂都是这样。每个公司在工艺上可能有些微的不同,但大体是答主所描述的这样一个流程。当然如果各位看官有新的工艺,也欢迎分享让答主学习,谢谢!

关于图片:除渣质量的矢量图之外,其他图片均来自于网络,侵删。

----------认真答题不忽悠的分界线----------

1、软包电芯

所谓的软包电芯,其实就是使用了铝塑包装膜作为包装材料的电芯。相对来说,锂离子电池的包装分为两大类,一类是软包电芯,一类是金属外壳电芯。金属外壳电芯又包括了钢壳与铝壳等等,近年来由于特殊需要有的电芯采用塑料外壳的,也可以划为此类。

二者的差别出了外壳材料不同,决定了其封装方式也不同。软包电芯采用的是热封装,而金属外壳电芯一般采用焊接(激光焊)。软包电芯可以采用热封装的原因是其使用了铝塑包装膜这种材料。

2、铝塑包装膜

铝塑包装膜(简称铝塑膜)的构成见图,其截面上来看有三层构成:尼龙层、Al层与PP层。

三层各有各的作用,首先尼龙层是保证了铝塑膜的外形,保证在制造成锂离子电池之前,膜不会发生变形。

Al层就是一层金属Al构成,其作用是防止水的渗入。锂离子电池很怕水,一般要求极片含水量都在PPM级,所以包装膜一定能够挡住水气的渗入。尼龙不防水,无法起到保护作用。而金属Al在室温下会与空气中的氧反应生成一层致密的氧化膜,导致水气无法渗入,保护了电芯的内部。Al层在铝塑膜成型的时候还提供了冲坑的塑性,这个详见第3点。

PP是聚丙烯的缩写,这种材料的特性是在一百多摄氏度的温度下会发生熔化,并且具有黏性。所以电池的热封装主要靠的就是PP层在封头加热的作用下熔化黏合在一起,然后封头撤去,降温就固化黏结了。

铝塑膜看上去很简单,实际做起来,如何把三层材料均匀地、牢固地结合在一起也不是那么容易的事。很遗憾的是,现在质量好的铝塑膜基本上都是日本进口的,国产的不是没有,但质量还有待改进。

3、铝塑膜成型工序

软包电芯可以根据客户的需求设计成不同的尺寸,当外形尺寸设计好后,就需要开具相应的模具,使铝塑膜成型。成型工序也叫作冲坑(其实个人觉得应该是“铳坑”,但大家都这么写就随俗吧),顾名思义,就是用成型模具在加热的情况下,在铝塑膜上冲出一个能够装卷芯的坑,具体的见下图。


铝塑膜冲好并裁剪成型后,一般称为Pocket袋,见下图所示。一般在电芯较薄的时候选择冲单坑(下图左),在电芯较厚的时候选择冲双坑(下图右),因为一边的变形量太大会突破铝塑膜的变形极限而导致破裂。

有时候根据设计的需要,会在气袋的位置再冲一个小坑,以扩大气袋的体积。

4、顶侧封工序

终于讲到正题了(你是跑题有多厉害!),顶侧封工序是软包锂离子电芯的第一道封装工序。顶侧封实际包含了两个工序,顶封与侧封。首先要把卷绕好的卷芯放到冲好的坑里,然后沿虚线位置将包装膜对折,如下图所示。

下面这种图是铝塑膜装入卷芯后,需要封装的几个位置,包括顶封区、侧封区、一封区与二封区。下面分别进行介绍。


把卷芯放到坑中之后,就把整个铝塑膜可以放到夹具中,在顶侧封机里进行顶封与侧封了。顶侧封机是这样子的:

图中这种型号的顶侧封机带四个夹具,左边那个工位是顶封,右边那个工位是侧封。那两块黄色的金属是上封头,下面还有一个下封头,封装的时候两个封头带有一定的温度(一般在180℃左右),合拢时压在铝塑膜上,铝塑膜的PP层就熔化然后黏结在一起了,这样就封装OK了。

侧封没有什么太多好说的(边电压神马的扯得太远就不讲了),主要来说说顶封,顶封区域的示意图如下图所示。顶封是要封住极耳的,极耳是金属(正极铝,负极镍),怎么跟PP封装到一起呢?这就要靠极耳上的一个小部件—极耳胶来完成了。极耳胶具体的结构我不是很清楚,希望有懂行的人来补充。我只知道它也有PP的成本,也就是说在加热时能够熔化黏结。在极耳位的封装见下图中圆圈部分所示。封装时,极耳胶中的PP与铝塑膜的PP层熔化黏结,形成了有效的封装结构。


5、注液、预封工序

软包电芯在顶侧封之后,需要做X-ray检查其卷芯的平行度,然后就进干燥房除水气去了。在干燥房静置若干时间时候,就进入了注液与预封工序。

通过上面的介绍我们知道,电芯在顶侧封完成之后,就只剩下气袋那边的一个开口,这个开口就是用来注液的。在注液完成之后,需要马上进行气袋边的预封,也叫作一封。一封封装完成后,电芯从理论上来说,内部就是完全与外部环境隔绝了。一封的封装原理与顶侧封相同,这里就不赘述了。

6、静置、化成、夹具整形工序

在注液与一封完成后,首先需要将电芯进行静置,根据工艺的不同会分为高温静置与常温静置,静置的目的是让注入的电解液充分浸润极片。然后电芯就可以拿去做化成了。

上图是软包电芯的化成柜,其实就是一个充放电的装置,我找了好久没有找到带电芯的图片,大家想想一下电芯夹在上面的画面就OK了。化成就是对电芯的首次充电,但不会充到使用的最高电压,充电的电流也非常小。化成的目的是让电极表面形成稳定的SEI膜,也就是相当于一个把电芯“激活”的过程。在这个过程中,会产生一定量的气体,这也就是为什么铝塑膜要预留一个气袋。有些工厂的工艺会使用夹具化成,即把电芯夹在夹具里(有时候图简便就用玻璃板,然后上钢夹子)再上柜化成,这样产生的气体会被充分地挤到旁边的气袋中去,同时化成后的电极界面也更佳。

在化成后有些电芯,尤其是厚电芯,由于内部应力较大,可能会产生一定的变形。所以某些工厂会在化成后设置一个夹具整形的工序,也叫作夹具baking(烘烤)。

这三道工序与封装无关,就简单介绍到这里吧。

7、二封工序

刚才说了化成过程中会产生气体,所以我们要将气体抽出然后再进行第二次封装。在这里有些公司成为两个工序:Degassing(排气)与二封,还有后面一个剪气袋的工序,这里我就一起笼统的都称为二封了。


二封时,首先由铡刀将气袋刺破,同时抽真空,这样气袋中的气体与一小部分电解液就会被抽出。然后马上二封封头在二封区进行封装,保证电芯的气密性。最后把封装完的电芯剪去气袋,一个软包电芯就基本成型了。二封是锂离子电池的最后一个封装工序,其原理还是跟前面的热封装一样,不再赘述。

8、后续工序

因为题主问的是封装,后面的跟封装关系不大,所以二封之后的工序我就一起说了。

二封剪完气袋之后需要进行裁边与折边,就是将一封边与二封边裁到合适的宽度,然后折叠起来,保证电芯的宽度不超标。折边后的电芯就可以上分容柜进行分容了,其实就是容量测试,看电芯的容量有没有达到规定的最小值。从原则上来说,所有的电芯出厂之前都需要做分容测试,保证容量不合格的电芯不会送到客户手中。但在电芯生产量大的时候,某些公司会做部分分容,以统计概率来判断该批次电芯容量的合格率。

分容后,容量合格的电芯就会进入后工序,包括检查外观、贴黄胶、边电压检测、极耳转接焊等等,可以根据客户的需求来增减若干工序。最后就是OQC检查,然后包装出货了。


注意,到这里都还只是电芯。电芯会送到Pack厂进行进一步的加工,包括焊接电路板,包装等等。Pack厂的下游是各个使用厂家,比如苹果、联想、华为这种的,他们会把电池Pack拿去装到终端里,然后才来到我们消费者手中。

圆柱卷绕式、方形层叠式和方形卷绕式是动力电池的三种重要构型。这里的圆柱卷绕式对应题干中的“柱状电池”,方形层叠式对应题干中的“软包”,方形卷绕式对应题干中的“方形”。

有人对比较成功的17款电动汽车做了统计,结果表明8款采用了方形卷绕式,7款采用了方形层叠式,2款采用了圆柱卷绕式。
Ref: journalase.com:8080/Jwe
电动汽车在选择电池构型上的分歧,实质上也反映了这些构型各具优、缺点。

1. 圆柱卷绕式
圆柱卷绕式是一种很古典的电池构型,在镍氢、3C锂离子电池上得到了长期的应用,业界也积累了大量的生产设计经验。圆柱卷绕式的优点包括生产效率高、一致性好等, 缺点包括圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳,电池的卷绕圈数不能太多(18650电池的卷绕圈数一般在20圈左右),因此单体容量较小,应用在电动汽车上时需要大量单体组成电池模组和电池包,连接损耗和管理复杂度都大大增加。
圆柱卷绕式电池的外形看上去虽然简单,但是内在设计并不简单。好的电池设计是涉及电化学、热、电、机械等诸多领域的复杂问题,对电池设计人员提出了很高的要求。我想举两个小例子。
例一:下图是某款18650电池的内部尺寸(单位: mm),正、负极展开后的长度相加有近1.5米,但用于引流的极耳宽度只有4 mm。电池设计人员需要慎重地选择极耳(位置、个数等)、电极涂层的诸多参数,以期降低极板上的电流分布不均匀,同时降低电池内部的温度分布不均匀。

例二:圆柱卷绕式电池在使用过程中的一种老化失效形式是卷绕极片发生翘曲,翘曲发生的来源可能是电极各层在循环中的体积变化步调不一致。下图是用CT拍摄的三款18650电池在存储、低倍率循环、高倍率循环后的电极形态,可以明显看到高倍率下的翘曲现象。

(Reference: Waldmann et al., JES 161 (10) A1742, 2014)


为了解决这个问题,一个简单的办法是在卷绕中心处加一个销轴,抑制卷芯的形变,如下图所示。

(Reference: Waldmann et al., JES 161 (10) A1742, 2014)
但是,销轴的引入会增加成本、重量等(电动汽车用到的电池节数是数以千计),并不一定是最佳选择。有没有更好的方法呢?做力学的同学,不妨可以关注下这个领域。

2. 方形层叠式
与卷绕式是由单片的正、负极片卷绕成形不同,层叠式电池是由多层极片层叠而成的。方形层叠式的优点包括:1) 厚度薄(受限于铝塑膜的冲压强度,一般不会超过1 cm),因此散热性能很好;2) 极片多,每片极片均有凸缘与极耳焊接在一起,极板上的电流密度分布均匀性好;3) 薄片式,易于组成模块和电池包,空间利用效率高;4)铝塑膜包装的重量轻,且抽真空后与电芯贴合紧密,有利于减少无效的重量和体积。
但是,这一构型的缺点包括:1) 铝塑膜封装的长期可靠性较难保证,如下图所示:
(NASA, Li-ion Pouch Cell Designs:Performance and Issues for Crewed Vehicle Applications)
2) 电池体较软,极片间的接触阻抗可能会较大,需在模块层次或电池组层次加以解决;3) 相比卷绕式电池,生产制作效率较低。

3. 方形卷绕式
方形卷绕式结合了方形层叠式的外观特征(但往往厚度更大)和圆柱卷绕式的极板制作方法,具有空间利用率高、生产效率高的优点。但是,这一型电池的设计也是最为复杂的,需要考虑的设计变量非常多,还需要考虑壳体与电芯间的配合问题。


综上所述,为了比较各类构型的优缺点,我们需要从热、机械、可靠性等很多角度角度来分析电池设计的优劣,而不止于传统的电化学特性。这是电动汽车发展后给电池行业带来的新挑战和新机遇。