寧德時代:超級(ji)電池誕生記
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作為(wei)新一代國之(zhi)重器
鋰離(li)子動(dong)力電池(chi)
以(yi)寧(ning)德(de)時代為代表(biao)
早在(zai)去年(nian),就(jiu)登上了央(yang)視(shi)的舞(wu)臺
《大(da)國重(zhong)器》第(di)二季
詳細介紹了寧德時代(dai)的電池(chi)生產(chan)線(xian)
對此還不太(tai)了解(jie)的(de)朋友
今(jin)天我(wo)們一起學習下
第一部分:電芯(xin)誕生記(ji)
首先(xian),讓我們看一(yi)下電(dian)芯的(de)生產產線(xian)。這是(shi)國內首條、國際一(yi)流(liu)的(de)自動化(hua)產線(xian),寶馬X1和(he)新5系的(de)電芯(xin)就是在(zai)這(zhe)里誕生的(de)哦(e)。
所有進入車間的人員都必須穿潔(jie)凈(jing)服(fu),戴帽子(zi)、口罩,完畢后,需要經(jing)過噴淋間360度無死角除塵
控溫(wen)、控濕、無塵的工廠,可媲美半導(dao)體微電(dian)子的制造環境
忙(mang)碌的RGV,按照設(she)定的(de)軌道(dao),自動搬(ban)運(yun)材料和為設(she)備上下(xia)物(wu)料
孤獨(du)的機械手自動拆盤(pan)碼盤(pan)
有了高科(ke)技(ji)機器(qi)人、中控(kong)系統(tong)、在線檢測設備和信(xin)息追(zhui)溯系統(tong)的助攻,catl的產(chan)線可實現(xian)“生產數據(ju)可視化”、“生產過程透明(ming)化”、“生產現場無(wu)人化(hua)”。
電芯(Cell)是一個(ge)電池(chi)系(xi)統的最小單元(yuan)。M個電(dian)芯組(zu)成一個模組(zu)(Module),N個模組組成一個電池(chi)包(Pack),這是車(che)用動力電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)基本結構(gou)。電(dian)(dian)池(chi)就像一個儲(chu)存(cun)電(dian)(dian)能的(de)(de)容器,能儲(chu)存(cun)多(duo)少的(de)(de)容量,是靠正極片和負(fu)極片的(de)(de)所(suo)負(fu)載活性物質多(duo)少來決定(ding)的(de)(de)。
極片主要(yao)是由
攪拌、涂布、冷壓
三道工序完成
攪(jiao)拌
攪拌(ban)就是將正、負極固態電池材料混合均勻后加入(ru)溶劑,通過真空攪拌(ban)機攪拌(ban)形成均勻漿(jiang)狀。
涂布
拌好的活性材(cai)料以(yi)每分鐘(zhong)80米的速(su)度被均勻涂覆到4000米長的銅(tong)箔上下面。涂(tu)布前的銅(tong)箔薄(bo)如蟬翼(yi),只有6微米厚。涂布至關重要(yao),需(xu)要(yao)保(bao)證極片(pian)厚度(du)和重量(liang)一致(zhi),否則會影響電池(chi)的(de)一致(zhi)性。涂布還必須確(que)保(bao)沒有顆(ke)粒、雜物、粉塵等混入極片(pian)。否則,導致(zhi)電池(chi)自放電過快甚至安全隱患。
冷壓和預分切
輥壓裝(zhuang)置將(jiang)涂布后的極片(pian)壓實到預(yu)定的厚度和密度。
極耳模切和分(fen)條
在這里,用模(mo)切機(ji)模(mo)切形成(cheng)電(dian)芯的導(dao)電(dian)極(ji)耳(er)。極(ji)耳(er)是(shi)電(dian)池頭上(shang)耳(er)朵,通俗地說就是(shi)電(dian)池正負極(ji)的耳(er)朵在進(jin)行充(chong)放電(dian)時的連接點。然后(hou),通(tong)過切刀對極片進行分(fen)切。
卷繞
電芯的(de)正極片(pian)、負極片(pian)、隔(ge)離(li)膜以卷(juan)繞的(de)方式組(zu)合形成裸電芯。先進(jin)的(de)CCD可實現自動(dong)檢測及自動(dong)糾偏,確保電(dian)芯極(ji)片(pian)不錯位。
裝配(pei)
卷(juan)繞(rao)好的裸電芯將被(bei)自動分選配對,之后再經過極耳焊(han)接(jie)、折極耳、裝配頂支架、熱(re)熔Mylar、入殼(ke)(ke)、殼(ke)(ke)體焊(han)接等(deng)工序(xu)。至此,裸電芯就擁有了堅硬的(de)外殼(ke)(ke)。
烘(hong)培和注液
電(dian)池烘烤(kao)工(gong)序(xu)是為了使電(dian)池內部水分達標(biao),確(que)保電(dian)池在整個壽命周(zhou)期內具有良(liang)好的性能。注液(ye),就是(shi)往烘(hong)焙后的(de)電(dian)(dian)芯內注入電(dian)(dian)解(jie)(jie)液(ye)。電(dian)(dian)解(jie)(jie)液(ye)就像電(dian)(dian)芯身(shen)體里流動的(de)血(xue)液(ye),能量的(de)交換就是(shi)帶電(dian)(dian)離子的(de)交換。這些(xie)帶電(dian)(dian)離子從電(dian)(dian)解(jie)(jie)液(ye)中運輸(shu)過(guo)去,到(dao)達另(ling)一電(dian)(dian)極,完成充放電(dian)(dian)過(guo)程。
化成
化成是(shi)對注液后的電(dian)芯進行激活的過(guo)程,通(tong)過(guo)充放電(dian)使電(dian)芯內(nei)部發生化學(xue)反應(ying)形成SEI膜,保證后續電芯在充(chong)放電循(xun)環過程中的安(an)全、可靠和(he)長(chang)循(xun)環壽命。
為了電(dian)芯擁(yong)有(you)良(liang)好性(xing)能,電(dian)芯制造過程(cheng)中還要經過X-ray檢(jian)(jian)測、焊接質量(liang)檢(jian)(jian)測,絕緣檢(jian)(jian)測、容量(liang)測試等一(yi)系列“體檢過程”。
制(zhi)造好后的每一個電芯單(dan)體都具有一個單(dan)獨(du)的二(er)維碼,記錄(lu)(lu)著(zhu)制(zhi)造日期,制(zhi)造環境,性能參數(shu)等(deng)等(deng)。強大的追溯系統可(ke)以(yi)將任何(he)信息記錄(lu)(lu)在(zai)案。如果(guo)出現異常,可(ke)以(yi)隨時(shi)調(diao)取(qu)生(sheng)產信息;同(tong)時(shi),這些(xie)大數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)針對性地對后續改良設計做出數(shu)據(ju)支持。
第(di)二部分:模(mo)組變形記
單個(ge)的(de)電(dian)芯是(shi)不能使(shi)用的(de),只有(you)將眾多電(dian)芯組(zu)合在一(yi)起,再加上保(bao)護電(dian)路和保(bao)護殼,才能直接使(shi)用。這就是(shi)所謂(wei)的(de)電(dian)池模組(zu)。
電池模組(module)是由眾多電芯組(zu)成(cheng)的。需要通過嚴(yan)格篩選(xuan),將一致性好的電芯按(an)照精密設計組(zu)裝成(cheng)為模(mo)塊化的電池(chi)模(mo)組(zu),并加裝單體電池(chi)監控(kong)與管理裝置。CATL的(de)模組全自(zi)動化生產產線,全程由十幾(ji)個(ge)精密機械手協作完成(cheng)。另外,每(mei)一個(ge)模組都有自(zi)己固定的(de)識別碼,出現問(wen)題(ti)可以實現全過程的(de)追溯。
從簡(jian)單(dan)的一顆電芯到(dao)電池包的生(sheng)產過(guo)程(cheng)也(ye)是相當復雜,需要多道工序(xu),一點(dian)不比(bi)電芯的制造過(guo)程(cheng)簡(jian)單(dan)。
上料
將電芯傳送到指定位置,機械手自動抓取送入模組裝(zhuang)配線。在(zai)寧德時(shi)代的車間(jian)內從自動搬運材料到為設備喂料100%實現了自動化。
給(gei)電(dian)芯洗個(ge)澡---等(deng)離子清(qing)洗(xi)
對每個電芯表面進(jin)行清洗(CATL寧德時代采用(yong)的是等離(li)(li)子(zi)(zi)處理(li)技術保(bao)(bao)證清(qing)潔度)。這里采用(yong)離(li)(li)子(zi)(zi)清(qing)潔,保(bao)(bao)證在過程(cheng)中的污染物不附(fu)著在電(dian)芯(xin)底部(bu)。
為(wei)什么要采用等(deng)離子(zi)清(qing)洗技術?原因在(zai)于,等(deng)離子(zi)清(qing)洗技術是清(qing)洗方(fang)(fang)法中最(zui)為(wei)徹底的(de)剝(bo)離式(shi)清(qing)洗方(fang)(fang)式(shi),其最(zui)大優勢在(zai)于清(qing)洗后無廢液,最(zui)大特點是對金屬(shu)、半導體、氧化物和大多數高分(fen)子(zi)材料等(deng)都能(neng)很好地處(chu)理,可實現整體和局部以及復(fu)雜(za)結(jie)構的(de)清(qing)洗。
將電(dian)芯(xin)組裝起(qi)來---電芯涂膠
電芯組裝前,需要表面(mian)涂(tu)膠。涂(tu)膠的(de)作用除(chu)了固定作用之外,還能起到絕(jue)緣的(de)目的(de)。
CATL寧德時代采用(yong)國際上最先進的(de)高精度的(de)涂膠(jiao)設備以及機(ji)械手協作,可以以設定軌跡涂膠(jiao),同(tong)時實時監控涂膠(jiao)質量,確保涂膠(jiao)品質,進一(yi)(yi)步(bu)提升了(le)每組不同(tong)電池模組的(de)一(yi)(yi)致性。
給電芯(xin)建個家---端板與側板的焊接
電池模(mo)組多采用鋁制(zhi)端板(ban)和側板(ban)焊接而成,待設備(bei)在(zai)線監測到組件裝(zhuang)配參數(如長度/壓(ya)力等)OK后,啟動(dong)焊接機器人,對端/側板完成焊(han)接,及(ji)焊(han)接質量100%在線檢測以確保質量(liang),以及100%在線監測(ce)焊接質量。
線束隔(ge)離板裝配
焊接監測系統準確(que)定位焊接位置后,綁定線束隔離板物料條碼(ma)至(zhi)MES生(sheng)產調度管理系統,生(sheng)成單獨的編碼以便追溯。打(da)碼后通過(guo)機械手將線束(shu)隔離板自動裝入(ru)模組。
完成電池的串并聯---激光焊接
通過自動(dong)激光焊接(jie),完成極柱與連接(jie)片的連接(jie),實現電池(chi)串并聯。
下線前的重要一關---下(xia)線測試
下線前對模(mo)組(zu)全性能檢查,包括模(mo)組(zu)電壓/電(dian)阻、電(dian)池單體電(dian)壓、耐(nai)壓測試(shi)、絕緣(yuan)電(dian)阻測試(shi)。標準化的模(mo)組設計原理(li)可以定(ding)制化匹(pi)配不同車(che)型,每個(ge)模(mo)塊還能夠安裝在車(che)內最佳(jia)適(shi)合空間和預定(ding)。
第三部分:電池(chi)歷(li)險記
在(zai)重裝上(shang)陣(zhen)前,電池組還需經歷(li)"九九八(ba)十一難(nan)"才能修成正(zheng)果。在寧德時代,這些極端,苛刻的實驗(yan)包括(kuo)挑戰高溫(wen)火燒、擠壓、沖擊、振動、海水浸泡、高低溫(wen)沖擊等,可多達230項。在(zai)寧德時代,只有成功通(tong)過層層磨煉的(de)電池產品,才(cai)能(neng)被(bei)放行使(shi)用。
火燒測試
在高溫油氣(qi)煙火下(xia),鉛、鋅等金屬(shu)材料早已熔化。但是(shi),電池組卻(que)要在這樣的高溫下(xia)進行(xing)“生存”挑戰(zhan)。在(zai)這項極端且具有危險性(xing)的測試中,行業的國(guo)家(jia)標準是外部火燒130秒,電池不起火、不爆炸(zha)。但在CATL,一切(qie)有著最高(gao)的要(yao)求(qiu)。國家(jia)標準要(yao)求(qiu)外部(bu)燃燒后(hou)不起火不爆炸,CATL則(ze)挑戰做到了外部火燒(shao)130秒后,電池依然可以正(zheng)常(chang)工(gong)作;國家標(biao)準外(wai)部燃(ran)燒時(shi)間(jian)要(yao)求為130秒即可,CATL甚至研究了連(lian)續燃燒(shao)1小時后,電池依然沒有(you)爆(bao)炸危險。而在這(zhe)樣(yang)的情況下,即使是熔點(dian)為660℃的(de)鋁材,也早(zao)熔(rong)化成了液體。
通過(guo)這樣(yang)嚴苛(ke)的火(huo)燒(shao)試(shi)驗,即使遇上火(huo)災或車(che)輛燃燒(shao),也不會出現電(dian)池爆炸(zha)的危險,避免出現二次傷害。
振動測試
顛簸路(lu)面對電池產(chan)生的振(zhen)動,可(ke)能(neng)會引發質量(liang)不(bu)過關(guan)的電池產(chan)品固(gu)定不(bu)良,零(ling)部(bu)件松動,外殼破裂最后引發安(an)全(quan)失效的情況(kuang)。為此,國家(jia)標準要求對動力電池進行(xing)振(zhen)動測試(shi)。
振(zhen)動臺用(yong)來(lai)模(mo)擬電池包在實(shi)(shi)(shi)際使用(yong)中會遇(yu)到的顛簸路(lu)況,環境(jing)箱用(yong)來(lai)提供(gong)不同的溫度環境(jing),充放電機則用(yong)以提供(gong)充放電的實(shi)(shi)(shi)際工作(zuo)情(qing)況。這三部分組成(cheng)了帶溫度帶負載的振(zhen)動測(ce)試系統,真實(shi)(shi)(shi)模(mo)擬了實(shi)(shi)(shi)車使用(yong)時的情(qing)景(jing)。
這是寧德時(shi)代的一座推力(li)20噸的振動臺,用來模擬電池包在實際使用中會遇到的顛簸路(lu)況,但其(qi)振動強烈程度更甚于(yu)實際路(lu)況。在試驗(yan)中,電池包一秒鐘(zhong)要被振動200下(xia),而電芯模組則要被振動2000下。蜜蜂的(de)翅(chi)膀每秒(miao)鐘振(zhen)動(dong)400下,我們就可以(yi)聽到“嗡嗡”的聲音,每秒振動(dong)2000下(xia)的電芯模(mo)組(zu)所發出的聲音(yin)是非常(chang)尖銳刺耳的。
在寧德(de)時代,這樣的(de)振動(dong)承受挑(tiao)戰算的(de)不是(shi)(shi)分秒,而是(shi)(shi)小(xiao)時。在這里,電池包需在-30℃至(zhi)60℃的環境(jing)條件下,電池包連續隨機振(zhen)動21小(xiao)時,這樣可(ke)等效模擬數(shu)十萬公(gong)里的行車疲勞情況。
加速度(du)沖擊(ji)測試
與振動試(shi)驗類似,沖擊測試(shi)用以測試(shi)電池(chi)包的機械結(jie)構穩定,其模擬車(che)輛通過路障時,瞬間(jian)顛簸對電池(chi)包結(jie)構的沖擊。
在寧德時代的沖擊測試中,最高加(jia)速度(du)可(ke)高達100G。100G加速度如何理解?載人航天飛行器的向(xiang)心(xin)加速度最高可達15G。一輛(liang)電動大巴(ba)被(bei)時(shi)速為(wei)50公里的小(xiao)車撞擊時,電池(chi)包所受到(dao)的加速度約為(wei)30G。一般(ban)人的(de)心臟承受的(de)最大加速度為(wei)50G。而目前有記錄的,人體能承受的加速度(du)極限約為(wei)40G。但(dan)在如此(ci)強烈的加速度沖擊下,電池包依(yi)然運行正(zheng)常(chang)。
擠壓測試
擠壓(ya)測試用于模擬電池在交通事故時(shi)受(shou)到(dao)擠壓(ya)的(de)情況。電池受(shou)到(dao)擠壓(ya)時(shi)在結構上(shang)可(ke)能由外(wai)至內(nei)被(bei)破(po)(po)壞,出(chu)現高壓(ya)短(duan)路,電芯(xin)被(bei)內(nei)部(bu)零部(bu)件刺(ci)破(po)(po)漏液,造成熱失控,進而引起起火(huo)或(huo)爆炸。
在寧德時代的擠壓(ya)試(shi)驗中,施加(jia)給電池(chi)包的力是10噸(dun)。一輛2噸的車,以90km/h的速度行駛撞(zhuang)擊(ji),其撞(zhuang)擊(ji)力剛好(hao)是10噸。
從圖中可(ke)以看到,在10噸(dun)外部力量的(de)擠壓(ya)下(xia),復合(he)鋁材質(zhi)的(de)電(dian)池包外殼已出現了明(ming)顯(xian)的(de)變形,但電(dian)池包整體(ti)結(jie)構完整。對于擠壓(ya)測試的(de)通過標準(zhun)一般(ban)是(shi)不起火(huo)、不爆炸。而寧德時(shi)代的(de)電(dian)池產品(pin),甚至可以在擠壓(ya)變形的(de)情況下(xia),繼續正常工作。
【結束語】
自此(ci),經過數(shu)不清(qing)的復(fu)雜加工工藝和檢測測試流程,一塊印有CATL標志(zhi)的(de)成品(pin)車用電池單元終于(yu)誕(dan)生(sheng)了。但即(ji)使(shi)如此,寧德時代(dai)對于(yu)質(zhi)(zhi)量的(de)把(ba)(ba)控(kong)還遠沒有(you)(you)結束。為(wei)了把(ba)(ba)控(kong)在日(ri)常(chang)使(shi)用時的(de)質(zhi)(zhi)量和(he)品(pin)質(zhi)(zhi),所有(you)(you)的(de)成品(pin)電池和(he)電芯都有(you)(you)自己獨一無二的(de)編碼,如果未(wei)來某(mou)塊電池甚至(zhi)某(mou)顆電芯出現故障,可以(yi)追(zhui)溯到(dao)關(guan)聯生(sheng)產線甚至(zhi)關(guan)聯原料(liao)。