蜂巢能源电芯制造工艺细节探秘

引言

这次很高兴有机会，进入蜂巢电池的工厂进行深度的参观和了解，如下图所示，蜂巢的产线布置主要的三部分，是电极装配车间、电芯封装和化成车间、最后是模组车间（这部分以后再单独介绍）。从一颗电芯的制造来看，电芯的生产工艺主要包括几个阶段： 

1）前段工序是把电池的原材料加工成为电池极片，主要包含投料、涂布、辊压、分切、模切等工序；

2）中段的工序是把前面制作的极片，按照电芯的设计加工成为未激活电芯，需要经过卷绕或叠片、入壳焊接、注液和封口等工序，叠片是中段的核心工序。 

在完成以上两个步骤以后，需要对电芯进行化成和检测，最终检测合格以后进入模组产线进行生产，我们这次最主要的环节是前面的两个环节。

01

 极片制作工厂

 1）混料和涂布 

先进入眼帘的是投料和搅拌的工序，一共有三层楼高，顾名思义就是把电池的材料进行搅拌处理。电池的正、负极电池材料混合均匀后加入溶剂，通过真空搅拌机搅拌成浆状。配料的搅拌是锂电后续工艺的基础，这里是由三楼的全自动投料系统投料，通过管道自动输送至搅拌设备内，制成浆料，高质量搅拌是后续涂布、辊压工艺高质量完成的基础。 这里与众不同的地方是采用了一个2300L大容量PD 搅拌 高速分散工艺，利用高速分散，能够使匀浆时间缩短 40%。采用这么大的罐子的理由，主要是考虑工艺会有偏差，是尽可能把一炉搅拌的材料尽可能做成一致的材料，如果出了问题，这一炉材料都会报废掉，所以对于异物（特别是金属异物）的控制非常严格。在这里很重要的地方就是磁性异物吸附装置，分布在粉料 1 道 浆料 3 道（涂布机还自带1道），可通过过滤和吸附可以控制磁性异物量≤200ppb; 除磁棒磁性12000高斯，浆料系统3道除磁（高速分散后磁性17000高斯，其余12000高斯）。整个电池的制造，都和环境、异物做斗争，所以后面我们会多次反复看到这个除磁的装置。 

 

图1 投料系统的照片（我们看到的是一楼的部分） 

涂布是指将电池原料涂覆在电池导电基材上面的一种工艺，来生产制造锂电池正负极极片。涂布的均匀性、一致性、对齐性、烘烤稳定、粘结剂扩散性、面密度稳定性等都于此息息相关，这个工艺质量的好坏直接关系到电池质量的优劣，锂电池对水分十分敏感，微量的水分就有可能会对电池的电性能产生很大的影响。

 

图2 涂布环节的概览

所以衡量一个电池企业的好坏，很重要的就是涂布环节的工艺，蜂巢采用双层折返式挤压涂布机，每台涂布机安装 3 套β射线面密度在线检测系统，通过这样的控制使得涂布面密度精度为±1.5%，每台涂布机也配备 2 套 A、B 面在线 CCD 涂宽检测装置，确保涂布宽度及AB面错位≤0.5mm。

在除磁方面，箔材及涂布极片配备3道除磁装置，分别在A面涂布前箔材表面、B面涂布前箔材表面、B面出烘箱极片表面。磁性8000高斯。涂布机头/机尾分别安装千级小环境，控制涂布时异物。而在涂布环节比较特殊的地方在于这里的12节独立可调节温度的悬浮式干燥箱，在工艺上可以实现极片悬浮干燥传输，避免烘干过程产品接触污染，实现的办法是上下两股气流实现对冲平衡极片传输。

 

图3涂布干燥烘箱 

2）分切辊压再分切 

分切：如下图所示，涂布完成后是有四个有效涂布区域，需要把极卷一分为二，上料采用 AGV 自动对接上料，分切以后通过助力臂辅助下料，这样整个分切过程中就不用人的接入实现无接触生产。分切完成以后进行辊压

 

图4 分切的上料 

辊压：这道工艺目的，是在制备极片卷料压实到设计的厚度，特别是目前制备大容量电芯，极片的压实密度都不低。通过对极片卷料进行高压力滚动挤压，实现减小，永久活性物质分别与铝箔，铜箔压实，达到符合技术要求的厚度，长度，连续需分别独立辊压。从材料上使用了镀铬压辊，保证在 80m/min 辊压速度的同时也保持圆跳动在＜3μm 内。蜂巢在正极和负极方面采用了两种不同的工艺方式实现的： 

1）正极辊压：本工序正极采用热压工艺（80度），温控精度为±1°C，同时集成箔材 IHA（电磁脉冲加热）在线处理技术，可在箔材区域实现预延展，解决箔材留白褶皱问题 

图5&6 正极的辊压

在这道工序上采用了红外干燥的办法，采用一个很小的设备就可以实现快速去除极片水分。 

2）负极辊压：目前考虑采用这种双辊连续辊压工艺，主要是负极未来可能需要采用硅系负极，所以会考虑分两次进行连续辊压，这里特殊地方需要保证张力控制，弄不好很容易断。 

图7 负极辊压

图8  分切 

二次分切：辊轧之后的产品进行进一步分切，通过在线在线缺陷检测，可以识别露箔，并对每台设备收卷前对极片进行磁棒在线除磁。 

图9 二次分切 

3）模切和叠片 

模切：通过五金模切设备，将分切后的极片卷料冲片成电池实际要求的体积，在这个环节中最主要的事情是能够控制这个环节中的毛刺。 

叠片：叠片是制备电芯的非常重要的一道工序，通过叠片机，将多层极片和交错叠成电芯。蜂巢采用的是摇摆式叠片技术，单片叠片速度可达 0.6s，之前普遍来看叠片是整个电芯制造的瓶颈工艺步骤，所以在这个基础上二期将采用0.45S每片，三期将开发0.25s超高速叠片设备。 

图10 叠片机 

02

组装和化成

在这部分里面，相对电芯就比较成型了，这里有很多的方壳电芯的工艺。我们把电池的电芯要装进去，形成一个“干”的电池。 

1）卷芯到电芯的制作过程 

1.1）预热和热压 由于要对材料进行处理，这里也要拉到80度的，然后进行HI-POT绝缘检测（分别在叠片后、预焊后、一次氦检后三道工序的100%全检），这样可以剔除有问题的电芯。在检测中也使用了X-RAY 检测设备对每个极组的四个角部进行 100%对齐度检测 

1.2）超声波焊和转接片激光焊接 把电芯做好以后，就需要把整体进行焊接，这里一方面考虑连接的可靠度，一方面考虑焊接过程中产生的金属焊渣的清理过程，到了这一步重点还是对于工艺金属异物产生和消除的考核非常高。总体来看，除异物以磁性棒 抽风的方式来做，这种处理方法基本贯穿整个电芯产线。

图11 焊接除异物 

1.3）顶盖激光焊工序 这部分封盖的过程，把电池的顶盖和电池进行焊接。

图12 电芯顶盖焊接

1.4）注液工序、高压预充和二次注液 之前做的电池都是“干”的，所以在这个环节，需要从喷嘴的注液口注入封装好的电芯，形成半成品电芯。注液工艺可分为两个步骤，第一步是将电解液注入电芯内部，然后进行高压预充，让第注入的电解液吸收到电芯（浸润）。通过进一步预充完成产气的过程之后对电池称重，进行二次注液，确保电池内有足够的电解液。 

2）化成 到了这里，就有一个独立的厂房，把将半成品电芯按照设定的充放电条件进行首次充放电活化。这里分为高温老化和常温老化，通过检测OCV来确保电芯的各个参数分析。由于之前电芯都不是成品，到了化成开始成为产品了，也具备了危险性，蜂巢在这里采用了全自动立体化成系统，充放电库位配置温度检测、可燃气体报警探测、库位内液体灭火系统温度监控、烟雾报警等多项安全设施，当出现意外的时候，采用分割处理，保证单个电池出现热失控也不会对整体有影响。 

图13 电芯化成车间 

最后完成所有的测试环节之后对电芯进行包膜处理，做成完整的成品电芯，如下图所示。 

图14 电芯包膜处理 

小结：这么一条产线走下来，其实没多少人，大量的水分控制、异物控制，所需要的东西还是很多的，希望对大家了解电芯的生产有用。