智能制造技术在动力电池行业的应用——评《锂离子电池智能制造》

吴 程

( 1. 江苏省江阴中等专业学校,江苏 无锡 214433; 2. 江苏联合职业技术学院江阴中专办学点,江苏 无锡 214433 )

动力电池作为新能源汽车的重要组成部分,影响着新能源汽车的推广和使用。 崔少华著的《锂离子电池智能制造》一书,在智能制造的基础上,聚焦新能源汽车动力锂离子电池的研究。 该书首先对锂离子电池的研究意义及发展现状做了简要介绍;然后阐述了锂离子电池的工作原理,并对生产工艺流程及所需原材料进行了概述;接着举例说明了锂离子电池智能制造的流程及工艺步骤;最后,对锂离子电池智能制造过程中的关键技术进行介绍,并阐明了实施锂离子电池智能制造的重要意义。

1 锂离子电池的研究意义及发展现状

石油、煤炭等石化燃料给人们带来了极大的便利,但同时,燃料的消耗也增加了碳排放量,使环境污染问题愈加严重,尤其在交通运输领域,燃油汽车的保有量逐年增加,石油消耗带来的环境污染更是愈来愈烈。 需要大力推广新能源汽车,以减少交通领域的碳排放,实现环境保护的目的。 新能源汽车大多以锂离子电池作为能量供给工具,近年来,随着技术的不断更新和进步,锂离子电池发展迅猛,市场容量不断扩大。 据估计,到2022 年,我国在锂离子电池方面的营业收入将突破2 100 亿元。 在国际上,三星、LG、松下等企业的起步较早;在国内,宁德时代、比亚迪、力神等企业在锂离子电池的研发及市场占有率方面均处于领先地位。

2 锂离子电池介绍

锂离子电池是一种可充电电池,主要由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等构成。 通常以钴酸锂、磷酸铁锂等为正极活性物质,以石墨、纳米碳纤维等为负极活性物质,以乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯等为电解质,以聚丙烯、聚乙烯微孔膜等为隔膜,以钢或铝制材料作为外壳。 此外,在锂离子电池的生产、封装过程中,还会用到铜箔、铝箔、导电炭黑、连接片等辅助材料。 在正常工作过程中,锂离子电池正、负极材料之间的电位差,会促使自由电子通过电解质,在正、负极之间游走,实现充放电。 锂离子电池具有能量密度高、低温性能好、使用寿命长等特点,在新能源汽车、数码产品等领域应用广泛。

锂离子电池的生产制造过程复杂,对原材料、设备及技术水平的要求非常高。 关键工序工艺包括以下几点:①制浆,将粉末状的正、负极活性物质和黏结剂等材料以一定比例混合,经过混浆系统充分搅拌后,形成正、负极物质浆料成品;②涂覆,在金属箔材表面涂覆制作好的浆料,经过压片、烘干后形成正、负极片;③卷绕,将正极片、隔膜、负极片等按照顺序卷绕,制作成电池极芯和极组;④装配,把电池极组打包,并辅以垫片、扣盖等,进行焊接,完成电池的装配;⑤后处理,对装配好的电池进行充放电测试,精挑出性能合格的产品。

3 锂离子电池智能制造

在锂离子电池的制造过程中,为了降低生产成本,提高生产效率、资源利用率和良品率,缩短生产周期,以设计、生产工艺、测试和包装运输等各个环节为需求依据,结合我国的智能管理、先进制造、智慧化生产和工业云平台等先进技术,可建立锂离子电池的智能化生产管理工厂,实现智能制造。 整个智能制造过程主要包括以下几点:①智能化生产管理工厂的总体设计;②工艺的创新和生产设备的智能化集成;③以工业互联网系统为基础,实现生产车间数据的采集;④智能化的生产管理系统;⑤生产流程的跟踪监测以及产品质量检测;⑥建立可靠的物流调度系统;⑦将人工智能、工业云平台技术融入其中,实现生产环境的安全监测,生产设备的监测、故障诊断以及产品的质量检测和提升等。

该书以某大型公司S 主导的“21700 动力锂离子电池智能制造”项目为例,对锂离子电池智能制造方案进行了详细的介绍。 该项目设备总投资约3.99 亿元,选择江苏苏州作为建设地点,以充分发挥地域优势,做好产品交付的售后服务工作。 该项目主要生产三元体系的圆柱形21700 锂离子电池。 该电池根据纳米技术设计而成,可以降低接触内阻,提升电池在低温环境下的充放电性能;使用的核心原材料均由国内企业提供,国产化率较高,成本大幅降低,充分调动了企业的积极性,带动了相关产业的发展,有利于调整国内圆柱形动力电池的产品结构。 该项目配备了先进的自动化生产装备,并且应用了电极的“连续制浆”技术、宽幅涂覆技术,大大提升了生产效率。 此外,该项目将制造企业生产执行系统(MES)和企业资源计划(ERP)系统相互融合,实现生产过程的数字化监管,制造出性能稳定的动力锂离子电池。 项目完成建设后,21700 圆柱形电池的年产能可达到22 亿Wh。圆柱形21700 锂离子电池正极采用三元材料,成本低、使用寿命长、能量密度高,且电化学性能和温度控制性能优异。为了确保锂离子电池具备较高的安全性能,S 公司制定了一些列措施,如将陶瓷技术应用在电池负极或隔膜表面,设计独特的电池结构,在自动化生产过程中,严格控制环境污染问题、实现非人工接触生产等。

21700 动力锂离子电池智能制造工厂的建设主要包括圆柱形21700 锂离子电池智能制造和电池包(Pack)系统智能制造两部分。 圆柱形21700 锂离子电池智能制造过程对工艺的要求非常高。 在匀浆工艺中,采用了双螺杆挤出机设备,空间占用率小、能耗低,可实现正负极1 t/h 的浆料产能,每条生产线的产能最高可达2.4 GWh/a,且可实现连续混浆生产,提升混浆效率。 在涂覆工艺中,采用1.3 m 的双层设备,实现双面涂覆,最高涂覆速率为40 m/min,最高产能与匀浆工艺一致。 在压切工艺中,正极采用热压技术和液压伺服控制压辊,以得到厚度均匀、紧实度良好的正极片;负极采用二次碾压工艺,以确保极片厚度在设定的范围内。 在电荷耦合元件(CCD)检测系统的控制下,利用分切机将得到的正负极片按设定的宽度切割,CCD 检测系统会将发现的不合格极片自动剔除,以提高后续电芯的良品率。 在卷绕工艺中,粉尘度要在10 000 级以下,环境温度保持在18～26 ℃,湿度在1%以下。 切割好的正负极片经烘干除水后,与隔膜等材料一起投入卷绕机中,进行卷绕操作,得到极组,卷绕过程中的所有信息都能够通过MES 系统全面监测。 在装配工艺中,使用先进的组装生产线,组装速度可达200 只/s。 整个装配过程较复杂:首先,上料机自动上料,并把极组装入电池壳中;其次,用焊接机将电池壳和负极耳焊接起来;然后,用滚槽机对电池内部的环境进行检测,确保电池能够安全出厂;接着,用注液机向电池内部注入电解液,并执行封口操作,得到成型的电池;最后,用检测设备检测电池的充放电性能,剔除不合格的产品后,将合格产品运送到指定地点,等待包装出库。 Pack 系统智能制造过程采用自动化插接式工艺,成本较低,便于维护,其流程包括:①设定好产线的设备布局;②电芯上料;③电芯检测;④电芯筛选;⑤电芯剥皮;⑥电芯入工装;⑦等离子清洗;⑧电芯入中间塑料支架;⑨激光焊接;⑩模块堆叠;⑪模组组装及下线;⑫弹片安装;⑬正极铜牌焊接;⑭Pack 下线(EOL)测试等。

4 锂离子电池智能制造关键技术及重要意义

“21700 动力锂离子电池智能制造”项目将物联网、工业云平台、人工智能等先进技术应用其中。 在车间物流配送环节配备智能引导装置(AGV)小车,辅以激光雷达、智能控制算法(如导航算法、路径规划算法和车辆调度算法等)等,实现目标精确定位、自主路径规划和物料的无人化传送。 在生产管理过程中,引入MES 系统,以促进整个管理过程水平的提升,优化人员结构,降低生产管理成本,改进工艺流程,提高产品质量,实现全面、智能化管理。 该项目建立了工业云平台解决方案。 在锂离子电池生产过程中,要通过各种控制器和传感器等感知数据,基于此,该项目开发了嵌入式软件及程序,使得控制器、传感器等的数据能够无缝传输到工业云平台和智能制造平台上,为设备检测、生产线管理、故障诊断和维修保养服务等操作的执行提供便利。 该项目还应用人工智能技术,以提高锂离子电池的质量。 在极片制造过程中,可能会出现极片露金属、暗斑、亮点等瑕疵,因此,利用机器视觉的方式自动检测极片质量,剔除残次品。 在质量分析方面,利用机器学习的方式,对锂离子电池进行分类建模,实现对次品的精准识别。 这些先进技术的应用,促进了动力电池生产向信息化、自动化、智能化方向发展。

“21700 动力锂离子电池智能制造”项目的实施,具有重要的意义。 该项目将各种先进工艺应用到生产过程中,通过智能化的管理和运营,实现了锂离子电池的非接触式自动化生产,降低了生产和运营成本,提高了动力电池单体的一致性。 该项目使用的装备、原材料大多是由国内厂商提供,国产化率达到80%,带动了动力电池装备生产商的发展,促进了全产业链的提升。 与类似项目相比,该项目生产的电池具备诸多优势,如电池盖的厚度降低了约12%,比功率提升至3 900 W/kg,箔材厚度降低30%以上,充电倍率可达1.2C等。 对于锂离子电池行业而言,该项目在一定程度上促进了电池产品的结构化调整,促使制造过程的MES 和ERP 整合,实现全自动化生产的突破,建立了数字化生产工厂。

5 结语

《锂离子电池智能制造》一书将理论知识和项目实例相结合,对锂离子电池的智能制造技术进行了深入的研究。 首先,对锂离子电池的发展现状、工作原理、组成结构、原材料和生产工艺流程等进行了详细介绍;接着,以S 公司主导的“21700 动力锂离子电池智能制造”项目为例,对锂离子电池的智能制造方案、制造流程及工艺步骤、关键技术等进行了阐述;最后,说明了项目实施的意义。 该书内容详尽、图文并茂,可供从事锂离子电池智能制造、新能源汽车电池研究的相关技术人员参考。

书名:锂离子电池智能制造

作者:崔少华 编著

ISBN:9787111674849

出版社:机械工业出版社

出版时间:2021-03-01

定价:¥39.80 元