锂电池生产线概述【文献综述】

文献综述

电气工程及自动化

锂电池生产线概述

摘要：介绍锂电池作为新一代的理想能源，它在全球能源危机情况下，相比于其它新型能源所体现出来的优越性，以及它在国内外的发展趋势和现状，锂电池所涉及的产业链、锂电池的优点、锂电池的生产工艺过程和电气控制。

关键词：锂电池产业；发展现状；优点；生产工艺过程

1.引言

面对日益严重的环境污染和能源危机，世界各国都在出台了相关政策，制定新的能源战略，在节省现有能源的同时大力发展新型能源[1]。由于锂电池有着储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等显著优点，所以引起了世界各国的高度重视，以锂电池为主导的锂电池产业在全球得以快速发展。

2．国内锂电池产业的发展、现状以及存在的问题

早在19世纪六十年代，美国就在开展军用锂电池的研制工作[2]。1971年，日本首先推出了实用型的锂一聚氟化碳电池，这一举动引发了世界各国竞相开发锂电池的热潮。近几十年来，以锂离子电池生产为主导的锂电产业在全球取得飞速发展。

锂离子电池是目前理想的新一代绿色能源，它具有储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等优点[3]。由于锂电池有着显著的优越性，世界各国都很重视，尤其是动力锂电池更备受关注。随着手机、笔记本电脑、数码相机等的消费和便携式电子产品的持续走强，锂离子电池的市场需求一直保持相当高的增长速度，市场对于锂离子电池的巨大需求也引导着锂离子电池行业的继续走强，整个锂电产业在全球正处于良好发展机遇。

近些年来，很多外资企业调整全球战略，将中国作为锂电池的生产基地[4-5]。再加上我们国家2008年提出了新能源政策及其发展规划之后，国内的锂电池生产企业开始大量涌现，据2009年电池行业统计数据，我国已注册的锂电池生产企业有1500多家，整个行业呈现出蓬勃发展的姿势[1]。但需要知道的是，国内目前涉足动力锂电池的企业，无论是材料生产商，电芯制造企业，还是其他配套的企业，多数对行业、市场缺乏深刻了解，在技术上也存在着各种瓶颈，并且一时难以找到有效解决方案。此外，由于锂电技术发展迅速，随着锂电池材料、型号、质量要求以及工艺需求的不断改变，国内还没有建立一套统一的锂电池行业标准。由此可见，我过的整体技术比国外要落后的多，要想在国际市场上占有一席之地，必须要有自己的核心技术。

今后，国内各大锂电池生产企业必须以全自动化、高精度设备为发展方向，生产出具有自主产权的高性能专用生产设备，保证产品的高品质，不断扩大市场需求，走向世界。目前，中国锂电已经进入自足时代，量产能力迅速成长，在性价比上拥有外资品牌暂时无法比拟的优势。不过，在保证电池一致性方面，半自动生产方式显然无法企及自动化生产。因此不少厂商不惜投入大量资金引进全自动生产线。

目前，比亚迪、比克、邦凯等中国锂电企业以其特有的生产工艺，大幅度降低了锂电池的生产成本，改变了锂电产品日本企业一统天下的局面，但是在高端锂电市场，中国仍处于起步阶段，与跨国大企业相比还有很大差距。

3.锂电池产业概述[6]

按照锂电生产及其运用的地位划分，锂电产业链组成大致可划分为以下四个部分：

(1)上游产业

锂电上游产业主要是天然矿产资源，包括钴、镍、锰、磷、铁、锂及各种化合物，其中尤以钴和锂用量最大，但它们在自然界中储量有限，属于稀缺资源。

(2)中游产业的材料环节——研发新品种的核心

锂电产业链第二环节属于锂电产业中最核心环节，决定了锂电技术进步的关键。电芯的原材料如下：正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜等。其中市场容量最大、附加值较高的是正极材料，大约占到锂电池成本的30%，目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。

(3)中游产业的规模化制造环节

锂电产业链中游环节是电芯制造和PACK组装。相对来说属于劳动密集型的大规模制造产业，国内外涉足该领域的企业众多。而尤以大企业竞争优势明显，行业地位很难撼动，其中不乏像索尼、三洋、三星、LG化学等跨国知名锂电业巨头；国内近些年上规模的企业也不断增长，现整体产业主要分布在日本、韩国、中国大陆及其台湾地区。中游厂商的共性特点是资本实力强、品牌知名度高、技术工艺成熟且有能力生产各种锂电池，除传统钴酸锂电池外，还能生产新型磷酸铁锂电池。

(4)下游产业

锂电产业链下游是指应用环节，包括低端的手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具、矿灯市场，中端的风电和太阳能储能市场，以及高端的电动自行车、电动摩托车、电动代步车、电动轮椅、电动轿车及电动客车市场等。在军事航天领域如坦克、潜艇、火箭、月球车等方面，锂电也大有用武之地。

4.锂电池的优点[2]

（1）电压高。锂电池以电势最负的金属锂作负极，一般锂电池开路电压都在3V以上，而普通电池开路电压一般只有1.5V，前者是后者的两倍。

（2）比功率高，锂电池的比功率超过200Wh/kg和400Wh/L，为普通电池的4-10倍。

（3）工作温度范围宽，可在环境温度-55°~ +75°范围内工作。具有耐低温特点，故其在极低温度下（-20°C）电量不变。普通锂电则不耐低温，在-10°时电量仅为5%。

（4）放电电压平稳，平稳的放电曲线是大多数锂电池的共有特性。

（5）适用范围大。目前已商业化的锂电池，容量最小的仅只3mAh,而大已达101000Ah,从微电流到大电流放电都可以找到合用的锂电池。

（6）贮存和使用寿命长, 锂电池贮存寿命可长达十年。由于锂电池采用的电解液正负极活性物质都很稳定, 虽然金属铿很活泼, 但在电解液中很快生成一层保护膜, 阻止了金属锂进一步反应, 从而提高了锂电池的湿搁置寿命, 在密封良好的条件下可贮存长达十年。

5．锂电池生产线工艺

锂电池生产工艺过程包含以下环节：搅料、涂布、对辊、剪裁、焊接、卷绕、封装、注液、高温老化、检测、包装。

锂电池最重要的前三个环节就是搅料、涂布和对辊。首先是搅料，对照技术部制定的技术规格，将正极极片的所有材料按照一定的比例顺序配置好，然后放在一个几百升大的真空搅拌机内搅拌，搅拌时间一般为十个小时以上（负极浆料搅拌时间要比正极短很多），期间要保证这个容器的密封性和真空度。搅拌好之后，可以用粘度计测量浆料的粘稠度，从而得知浆料是否达到技术规格，经验老道的技术员一看就知道粘稠度大致是多少。浆料过稀或过稠都会影响极片涂出来的效果，最终也直接影响到电池的性能和使用寿命。

解决好了浆料的问题，接下来就是涂布环节了。涂布机分为放卷机构、涂布机构和收卷机构。系统采用的涂布方式为：正面先涂布后留白，反面先留白后涂布。故在反面间涂时特别注意设置参数，正面第一段留白对应反面第一段留白，正面第二段留白对应反面第二段留白。

涂布涂好之后，再烘烤十二小时，然后拿出来对辊。对辊机同样分为三个部分，放卷机构、对辊机构和收卷机构。其中最重要的是对辊机构，由上下两个重达一吨的大辊筒组成，当极片由放卷机构慢慢传递过来时，下辊筒根据设定值上升到一定高度，和上辊筒一起将极片辊轧，辊轧之后的极片比之前要平滑，厚度会变小。如果极片厚度检测出来不符合技术规格，可以通过修正定位参数，将下辊筒下降后再抬起，逐次调试，最终达到所要求的技术参数。

对辊之后要对极片进行裁片切片。同样在裁片机和切片机设备中输入合适的技术参数，然后再对极片进行操作。经过这两道工序之后，再用激光点焊机把极耳焊到极片在涂步时预留的留白处。焊接好的极片就可以卷绕成电芯了。将负极极片放在上方槽内，正极放在下方槽内，两个极片经过