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推动锂电池高效制造 激光技术大有可为
[ 发布人:匿名 来源:匿名 日期:2020-2-28 浏览次数:39 次 字体:   ]

// 2020-02-26//

为 

   张春杰  

广州中国科学院工业技术研究院

国家锂离子动力电池工艺装备

技术基础服务平台副主任

教授级高工

 

当前,如火如荼的新能源汽车行业为其核心部件——动力锂电池市场的发展加添了源源不断的推力(图1)。数据显示,2019年上半年国内动力电池产能约为92GWh,随着新产能的持续投放,预计到年底,动力电池年产能将达到200GWh,可装备400万辆新能源汽车。

 

动力电池制作工艺复杂,其质量直接决定新能源车辆的性能,从而对其制造技术和装备提出严格的要求。以激光焊接和切割为代表的激光技术作为先进的“光”制造工具,展现出高效精密、灵活、可靠稳定、焊材损耗小、自动化和安全程度高等特点,被广泛应用于动力锂电池的制程中。据悉,2019-2020年中国锂电设备市场空间分别为182.71亿元和207.17亿元。如按照激光焊接设备价值量占8%的测算看,激光焊接设备的市场空间分别为14.62亿元和16.57亿元。

图一. 如火如荼的新能源汽车行业为动力锂电池提供了助力

本文主要围绕激光技术在锂电池智能制造系统中的应用与实践、激光在锂电池电芯生产中的应用进行阐述,并介绍国家锂离子电池工艺与设备创新平台在锂电装备研发、激光技术应用研发以及锂电智能制造发展方面的规划情况。

No.1

光技术在方壳锂电池生产中的应用

 

锂电和新能源汽车可谓是近两年来最火的产品之一,其市场热度不断发酵,在多方面都引起行业广泛关注。首先,新能源汽车销量的逐渐提高也伴随着自燃等事故的频发,甚至威胁生命,令很多人对新能源汽车谈之色变。其次,国家补贴退坡政策导致需求泡沫破裂,使行业出现萧条,用户基于安全考虑,使锂电产能主要汇集在宁德时代和比亚迪这两家企业,使国内其他同类企业面临严峻的竞争压力。

 

但毋庸置疑,锂电行业和全电动汽车的发展前景还是光明的。未来,这一行业的核心趋势是批量应用汽车动力电池、储能和智能移动产品等高能量电池,这些锂电池的预期寿命为30年(循环梯次使用:汽车使用12-15年+储能使用15年)。此外预计到2030年,新能源汽车的市场占有率将达到70%,全面取代燃油车。这种强烈的产业需求也对锂电池的产品技术、工艺和性能提出了更高的要求。换而言之,如何发展高端制造技术是重中之重。激光技术作为朝阳产业,正被全方位地应用于锂电池的制造中。

 

国家锂离子电池工艺与设备创新平台作为掌握锂电核心技术的团队,秉持苹果发展理念,致力为国家锂电行业从核心技术发展、工艺设备配套、基于全产业链智能制造与云管理起到示范和引导作用。

 

激光焊接

从激光焊接来看,锂电池主要的焊接材料包括铝合金和铜合金。电池外壳形状主要分为方形和圆柱。目前,方形电池在国内的普及率比较高。焊接方式主要包括拼接焊和叠焊;而激光焊接部位则涵盖防爆阀、电芯极耳与极柱、软连接(通常正极采用铝,负极采用铜,铝和铜的厚度一般在8-12微米之间)、壳体封口、注液孔和模组等。另外,激光器可选用连续和脉冲等类型。光斑直径和焦距一般分别为0.2mm和200mm;而焊缝宽度和焊缝深度可做到小于1mm以及小于1.5mm。

图二. 激光焊接在汽车铝壳锂电池行业的应用

目前,锂离子动力电池工艺装备技术基础服务平台主要的研究集中在激光点焊和激光封焊自动化生产线、正负极片激光飞切以及全工艺流程装备集成等方面。

 

譬如,这款全自动化柔性激光焊接设备(图3)主要分为三段:点焊单元、封焊单元和机器人单元(采用8台配有空间关节、直角坐标和直线电机驱动的机器人),并采用连续化操作。系统由端盖入壳、点焊定位端盖、封焊A面、封焊B面四模块。其焊接效率为10PPM。点焊单元配置550W,1-100Hz的灯泵脉冲激光器,要求具备很高的定位精度;封焊单元则配置2kW的光纤输出连续激光器及直线电机运动部件,保证小曲率焊接线速度一致。

图三. 由点焊单元、封焊单元和机器人单元组成的全自柔性激光焊接设备

 

就点焊而言,合格焊接的前提条件,必须使焊接体之间具有符合焊接要求的形位公差,因而锂电壳体的焊接夹具精度必须达到模具级精度,合格的点焊是封焊的前提,因此通过激光测距传感器对焊前和焊后的尺寸进行检验,严格杜绝不合格品流入封焊工序。点焊工位包括两个安装工位和一个焊接工位,通过两个空间关节机械手进行上下料盒工序传递,通过两个直角坐标机械手同时进行双面激光点焊(图4)。

图四. 点焊单元

对封焊来说,基于锂电壳体只有0.6mm厚,并呈现继续减薄的趋势,而方形转弯半径小于2mm,加速度达到2.5g,一般传动电机无法满足轨迹精度要求,因此必须选用直线电机。直线电机驱动焊接执行机构完成双面焊接、而空间关节机器人则完成下料作业(图5)。

图五. 封焊单元

另外,锂电池铝壳体封焊常规选用的光纤激光器的功率为2kW(图6);光斑和焦距分别为0.2mm和200mm;焊深和焊缝宽度分别为1.5mm和1.2mm;孔隙率介于3.6-4.2%。

图六. 常规光纤激光器锂电池铝电壳体封焊

然而,如采用环形光斑的光纤激光器(6kW功率;0.1mm,0.5 mm光斑)来封焊锂电池铝壳体(图7),由于光纤能形成不同层次(中心光纤、中间包层光纤和外围包层光纤;外围层光纤能发挥清理表面及提升基材能级的作用),并且整体光束分布(即中心和环形部分功率)均可按需独立调整,焊接灵活性显著提升,而孔隙率也大幅下降到0.25%。因此,环形光斑焊接手段在越来越多的应用场景取代了振镜摆动焊方式。

图七. 环形光斑光纤激光器锂电池铝壳体封焊

 

迎合智能制造趋势

除了激光工艺装备外,还需要考虑生产线与智能制造兼容的需求。控制系统模块化设计,分布智能系统控制,形成统一物理端口和通讯协议,为智能制造系统连接打下基础。设备层的通讯结构及协议建立是智能制造的基础,智能制造从发展角度分为三个阶段:1.0时代数字化制造、2.0时代数字化+网络化、3.0时代的数字化+网络化+智能化。目前,在三个层次上仍然有大量工作要做。事实上,目前智能制造更多还停留在数字化制造的初级时代,一个根本的问题是设备层面的物理接口和通讯协议还处于群雄割据时代,设备间系统间无法协同和互动。

 

鉴于此,着眼于锂电行业的发展需求,该创新平台正准备从智能制造2.5起步,主要源于以下几点考量:锂电行业的成熟度不断提升;锂电装备国产化率高,容易在行业设备提供商之间达成一致;行业生存业态正在形成,容易向正确方向引导,促进行业资源共享,技术同步螺旋上升;迎合信息技术发展,应用高速物联网5G等最新技术,结合国家数控系统高效NCLINK协议,搭载大数据分析云平台支持;产业链完整,技术支持体系完备。

 

譬如,这款搭载在激光焊接装备上的电控系统采用模块化设计,模块间控制逻辑互联。此外,模块与上位机实现实时运行数据联通、为设备运维、在线质量检查、数字孪生、最终实现智能制造打下扎实的基础(图8)。

图八. 搭载在激光焊接装备上的电控系统采用模块化设计

又如,这款数据采集与监视系统具备实现全系统设备数据联通、大数据分析、报警处理和云存储等功能(图9)。

图九. 数据采集与监视系统

 

 

锂电极片激光飞切系统

动力和储能电池采用磷酸亚铁锂为正极材料、叠片结构、双侧出极耳和激光切割极片,一直是该团队坚持的四个基本路线。目前发生问题的电池都是三元电池,叠片结构已被行业通过白皮书方式,认定为动力锂电池必须采取的结构,双向出极耳可以加大导流面积,降低高电流放电产生的发热问题。激光切割极片能使极片形成钝化膜,有效保证电解液的长期使用纯度,迄今为止,该团队为法国提供的2000块方形锂电池已经工作8年,电能量在80%以上。

 

目前,锂电极片激光飞切技术在国内还是比较有特色的,未来随着电池能量密度提升,厚电极的使用,激光飞切必然取代模切成为动力电池的重要加工手段。譬如,这款搭载了并联机构机器人、CCD视觉检测系统、负压传送带和自动料仓(一次上料盒可以满足收集3600片极片,双料盒同时收集)等功能单元的锂电极片激光飞切系统(图10)使用了平均功率100W的光纤脉冲激光器作为光源。两个线阵CCD检测极片平整度和涂布两面对齐度,CCD面阵检测极片切割后的完整性和在负压传送带的位姿精度数据及NG判别结果,并传输给并联机构机器(机器人能实现两抓一放,效率为100片/分)。

图十. 锂电极片激光飞切系统

No.2

国家锂离子动力电池工艺装备技术基础服务平台

 

由广州中国科学院工业技术研究院、中科院物理研究所和中国科学院沈阳自动化研究所共同打造的国家锂离子动力电池工艺装备技术基础服务平台的主要攻关任务包括研究锂电池结构工艺、性能检测与分析、锂电关键设备的研发以及制造过程信息采集(图11)。

 

图十一. 该平台的核心任务包括研究锂电池结构工艺、检测与分析、锂电关键设备的研发以及制造过程信息采集

 

图十二. 实验室中的电池生产情况,其中包括电池设计,池制造和所需的信息技术等

 

 

另外,检测技术实验室主要的工作包括电池材料测试,电池结构测试和电池电性能分析(图13)。

图十三. 展示了通过CT机观察到的电池内部结构,团队任是分析图片、数据、并向电

池设计团队提供反馈信息

 

 

整个检测评估体系覆盖电池材料、电池结构、电池性能和安全性分析环节,在原有的基础上增至检测设备,搭建各种工况模拟的电池测试中心。通过分析实验室的电池材料、结构和性能,找到电池失效、鼓包、击穿烧毁等的原因,助力企业产品质量升级改造,以及满足当前国家对电池安全的严格要求(图14)。

图十四. 检测评估体系覆盖电池材料、电池结构、电池性和安全性分析环节

 

譬如,研发的系统被应用在江西恒动新能源公司的1GWh锂电池生产线上,该系统已应用于企业生产线,通过收集1000多个采样点数,团队建立了大数据分析平台来管理电池生产流程并大幅提高产品质量。

 

未来,该平台计划与更多的战略合作伙伴(包括技术链、产业链和资本链)共同探索和建立基于全产业链的锂电智能制造与管理系统。例如,在电池生产中应用工业互联网信息和通信技术;同时,团队计划建立采样点数多于3000点的大数据分析平台。

 

 
 
 
 

 

文章来源:《中国激光界》

投稿邮箱:editor@chinalaser.org

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