Introduction

國際能源署近期的一份報(bào)告顯示，2020 年歐洲電動汽車注冊量達(dá)到 140 萬輛，占全部新車銷量的10 %。在中國和美國，這一占比分別為 6 %和 2 %。驅(qū)動電動汽車發(fā)展的力量是鋰離子電池技術(shù)，解決鋰離子電池三個(gè)制造階段中的質(zhì)量控制難題則顯得尤為重要。

為確保電動汽車用鋰離子電池符合性能和安全要求，電池制造流程必須滿足嚴(yán)苛的精密性閾值，并采用與高通量自動化生產(chǎn)線要求相一致的質(zhì)量控制分析。為可工作狀態(tài)下的電池執(zhí)行性能測試往往需要耗費(fèi)長達(dá)數(shù)天的時(shí)間，因此生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制至關(guān)重要。
 
 
解決質(zhì)量控制難題

鋰離子電池有三個(gè)制造階段，每個(gè)階段又包含多個(gè)步驟。每一個(gè)制造步驟都絲毫馬虎不得。例如，電極膜厚度的標(biāo)準(zhǔn)公差只有±2 μm。為滿足這種細(xì)微的公差要求，電動汽車鋰離子電池的生產(chǎn)線高度自動化。為評估質(zhì)量并滿足精密性要求，生產(chǎn)線上配置有一系列的分析儀器，生產(chǎn)完成后，還會再執(zhí)行多種測量。
 
賽多利斯工業(yè)應(yīng)用經(jīng)理Junkichi Azuma稱，生產(chǎn)線上的這些工具不僅要足夠精確，而且為適應(yīng)生產(chǎn)線的高速生產(chǎn)特點(diǎn)，還必須具備高響應(yīng)性和穩(wěn)定性。和制造流程一樣，這些系統(tǒng)也高度自動化，可在制造階段識別質(zhì)量缺陷并提供響應(yīng)性控制措施。
 

電動汽車中的每個(gè)電池組都由數(shù)百個(gè)電化學(xué)電池連接組成
 
 
第1階段：準(zhǔn)備電極

鋰離子電池生產(chǎn)的第一個(gè)階段是準(zhǔn)備電極，即陽極和陰極。陽極和陰極組件的漿液分開混合。陽極漿液一般包含作為陽極材料的石墨、高分子粘合劑、其它添加劑和作為溶劑的純化水。在電動汽車鋰離子電池中，陰極漿液一般包括由鎳、鈷和錳（NMC）組成的層狀氧化物材料。

涂布步驟完成后，使用熱梯度干燥薄膜，之后這些片材在壓延流程中通過重型輥?zhàn)�。這個(gè)步驟會對干燥的薄膜進(jìn)行壓縮處理，以優(yōu)化活性電極的孔隙率。隨后，這些片材將在真空干燥室內(nèi)進(jìn)行數(shù)小時(shí)的干燥處理，將剩余的水分蒸發(fā)掉。在典型的生產(chǎn)線中，這一處理流程的速度可達(dá)每分鐘 50 米。

在該過程中會涉及兩項(xiàng)重要操作：光學(xué)檢查和水分分析
 
質(zhì)量控制：光學(xué)檢查

視覺檢查是主要的電極質(zhì)量控制方法。由于電極組裝的速度過快，無法開展人工檢查。“最常見的方法是使用攝像頭系統(tǒng)和線路檢測裝置實(shí)施視覺檢測。” 德國亞琛工業(yè)大學(xué)電動交通組件生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)主席Marc Locke說。
 
質(zhì)量控制：水分分析

水分是鋰離子電池的一個(gè)嚴(yán)重威脅。主要問題是水會與電極中的LiPF產(chǎn)生反應(yīng)，并生成氟化氫，而氟化氫是一種高腐蝕性的副產(chǎn)品，會破壞電池組件。最終制造完成的電池中的水分含量一般不超過500 ppm。但由于水是陽極漿液中一種極具性價(jià)比的溶劑，因此無法在電池制造中避免水的使用。
 

電池生產(chǎn)線的速度很快，因此在組件生產(chǎn)和電池組裝中，一般使用攝像頭和線路檢測裝置以光學(xué)方式檢測鋰離子電池。

組裝電池單元前，需通過干燥和真空干燥步驟清除電極膜中的殘留水分。德國亞琛工業(yè)大學(xué)電動交通組件生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)主席Marc Locke表示，在真空干燥步驟中，一般會定期分析電極樣本中的殘留水分。
 
在這些離線分析中，可以使用能夠精準(zhǔn)測量低含量水分的熱重分析法水分分析儀，例如賽多利斯MA 100水分儀。水分分析儀也可以用于在準(zhǔn)備電極漿液之前評估陽極和陰極組件的水分含量。
 
 
第 2 階段：組裝電池組

電極充分干燥后，便可以組裝電化學(xué)電池。將大電極片切割為單獨(dú)的電極段，涂覆一層薄的高分子分離膜，然后卷起或折疊小的片材。片材卷或堆垛上設(shè)有線路連接點(diǎn)。將電極裝箱并加入液體電解液。最后將電極箱密封。

質(zhì)量控制：精密稱重

加入電解液后，生產(chǎn)線上集成的在線稱重單元會對加入電池中的電解液數(shù)量進(jìn)行稱重分析。賽多利斯銷售經(jīng)理Kyle Lee表示，除了快速響應(yīng)和精準(zhǔn)的稱重，生產(chǎn)線上的稱重單元還必須小巧、防爆，并擁有穩(wěn)定的內(nèi)部校準(zhǔn)系統(tǒng)。賽多利斯作為原始設(shè)備制造商生產(chǎn)的稱重單元被多家韓國企業(yè)應(yīng)用于生產(chǎn)電動汽車用鋰離子電池的美國、中國和歐洲的海外工廠。

值得一提的是，為可重復(fù)制造滿足性能要求的高質(zhì)量鋰離子電池，高質(zhì)量試劑是一個(gè)關(guān)鍵要素。同樣，電池研究實(shí)驗(yàn)室和電池質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室都需要使用良好表征的材料來開發(fā)新型電池技術(shù)和研究電池性能背后的化學(xué)機(jī)制。賽多利斯的Arium®超純水系統(tǒng)可以為實(shí)驗(yàn)室提供穩(wěn)定的高質(zhì)量水，滿足配制和分析儀器的使用需求。
 
 
第 3 階段：完成電池組裝

電池單元完全組裝好后，還必須經(jīng)過一個(gè)電化學(xué)形成和熟化過程，這個(gè)過程可能需要數(shù)天或數(shù)周的時(shí)間。在生產(chǎn)線之外的一個(gè)類似于倉庫的設(shè)施中，對電池單元緩慢充電，促使在電極表面上形成一個(gè)固體電解質(zhì)界面膜（SEI）。SEI是電池工作過程中一個(gè)必要的部分。

機(jī)器人會在倉庫中快速巡視，評估每個(gè)電池單元的電性能。
 
質(zhì)量控制：電性能

SEI形成后，會對電池單元進(jìn)行電性能檢查，例如在數(shù)周內(nèi)測量電池的輸出電壓的穩(wěn)定性。滿足電動車輛要求的性能標(biāo)準(zhǔn)的電池單元會被組裝在一個(gè)電動汽車電池組中并連接在一起。
 
 
未來的電動汽車電池技術(shù)

經(jīng)過數(shù)十年的穩(wěn)定改進(jìn)，鋰離子電池制造方法已經(jīng)能夠滿足電動汽車市場嚴(yán)格的性能、成本和安全要求。自動化生產(chǎn)線不僅集成了一系列分析儀器，生產(chǎn)后也會執(zhí)行常規(guī)測試，并由此在電池組件生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)度。現(xiàn)有和未來電動汽車電池制造流程的精密控制將在這個(gè)快速增長的行業(yè)中確保安全性，最大程度降低材料和能源浪費(fèi)，并持續(xù)提升消費(fèi)者的信任度。



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賽多利斯MA紅外水分分析儀
下載本篇《驅(qū)動未來：電動車輛鋰離子電池的精密制造》白皮書，了解鋰電池制造階段質(zhì)量控制方面難題及賽多利斯相應(yīng)解決方案。

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