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寧波久鉅智能裝備有限公司董事長朱效銘:全極耳大圓柱鋰電池結構及材料實踐
發布時間:2023-05-17 10:40:00
關鍵詞:鋰電池

久鉅智能朱效銘:關注大圓柱——全極耳大圓柱鋰電池結構及材料實踐

圖為寧波久鉅智能裝備有限公司董事長朱效銘作主題演講

  朱效銘:今天跟大家分享的是“大圓柱電池結構和材料的實踐”。

  (見PPT)這是我的個人簡介,我做電池大概有40年的時間了,在電池行業還是做了一些工作,曾經在堿性電池領域里面有一定的貢獻,我主導的項目獲得過國家科技進步二等獎。

  下面跟大家分享一下關于大圓柱方面的幾個實踐。

  大圓柱看上去結構比較簡單,但是它的電池設計是比較關鍵,因為關系到安全性、密閉性以及能源利用率、生產效率,這些都有直接的影響。作為一個全新的產品,現在大多數的企業都是在比較保密的情況下進行的,公開的數據不多,我這里根據一些公開資料的介紹和我個人的實踐,跟大家分享一下。

  這是一個小視頻,介紹我們做的一些設計。

  (播放視頻)

  大圓柱電池跟傳統的圓柱電池有很大的區別,目前大多數的企業還是在研發設計中,真正量產的不多,包括特斯拉、松下,他們現在也基本上都是處于中試階段。最近特斯拉也有好幾個產品推出來,其實它在結構方面還是在做一些改進,因為二代相比一代的結構還是有點不一樣的。

  從結構要求來說,一是要滿足它的性能要求,包括大電流輸入、充放電、改善熱失控,提高電池的容量。

  第二是在生產工藝上要滿足工藝上的要求,其實這一點很重要,它的結構很簡單,剛才視頻大家也看到了,它的結構就是幾個零件,就是正負極、電芯極耳、集流盤、集流柱、正極蓋、負極蓋,就這么幾個零件。但是這幾個零件的組合和它結構的變化,跟工藝是有很大關系的。目前來說,大圓柱全極耳有很多工廠在生產,全極耳的工藝,它真正的輸出還是有極耳的,特斯拉推出了一款新的結構以后,國內的企業也都在向這方面靠攏,但是國內的比亞迪、比克、億緯、國軒,他們都在做自己的大圓柱方面的結構,大家各有千秋,都有不同的地方。在設計當中要滿足工藝要求也是很要緊的,同時又要提高生產效率,因為生產效率的提高對電池的成本會有更大的影響。

  第三是要滿足自動化要求,結構件的合理設計直接影響生產線的自動化,因為一個零件如果設計不合理,它自動化程度做不到,就像我們現在32140、34140這種國內在做的大圓柱,它有極耳的,有極耳的電池嚴格來說在自動化程度方面是有些欠缺的。

  第四是要滿足成本的要求,如果結構件比較復雜,制造成本回比較高。

  第五是要滿足安全性的要求,比如說防爆閥結構的設計、部位的設計,直接影響電池的安全。目前特斯拉的電池要求負極采用防爆閥,國內有些企業采用的是正極輸出防爆閥,這些結構對汽車里面影響比較大,因為汽車里面需要負極裝在底盤下面,假如說防爆的話,它就直接沖到下面去,如果在上面的話,它可能會對整個電池的安全性有影響,所以它在安全性方面是有嚴格要求的。

  第六是要滿足回收、利用和環保的要求?,F在鋰電池回收這一塊也是比較大頭的,如果結構比較復雜,以后拆解不太容易,就會導致回收的成本比較高。

  (見PPT)這是特斯拉的電池結構,看上去就很簡單,正極極柱、殼體正極集流盤、正極集流盤、負極端蓋,這是很簡單的,現在很多電池企業都在做這方面的研究,做到最后在工藝上也會有很大的差別。

  (見PPT)這是它的二代,相比一代沒有什么大的區別,就是在負極集流蓋那個地方,之前采用的是輥槽工藝,現在采用的是焊接工藝。

  這是我們的一款結構,當然我們公司也有好多款結構,因為我們公司除了做電池生產線之外,我們在電池結構方面也做了一些探索,目前可以幫助同行業在這方面發展。

  這是我們公司曾經做的一款4680大圓柱電池。

  這是現在32140、34140結構的電池,它也算是大圓柱,但是它的結構跟4680還是有些類似的,也是采用極耳輸出的方式。

  這是國內有幾家在做的兩頭輸出的結構,兩頭輸出目前大多數用在兩輪車上面,因為兩頭都要焊接,它的焊接Pack成本比較高,特斯拉的電池在正極端和負極端在一個平面上,Pack的時候成本會很低。

  下面是從結構和材料方面跟大家分享一下,外殼目前來說鋰電池大圓柱分為單頭開口和兩頭開口的結構,一般來說直徑比較短、高度比較低的采用單頭開口的結構,比較長的一般采用兩頭開口,因為長了以后,它的外殼沖制成了問題,鋼殼的拉伸比是有極限的,鋁殼雖然拉伸比較好,但是它拉伸也是有極限的,所以一般會采用兩頭的。假如說高度比較高的,國內有46250這種圓柱,如果要超出它的沖制外殼比例,我們會選擇兩頭開口的方式。

  外殼的材料目前來說就是用鋁的,因為鋁的導電性能比較好,散熱性能比較好,沖刺性能也比較好,它的缺點就是材料成本相對來說比較高。另外一種材料就是用深沖鋼帶,大家在18650上都看到過,這種材料的成本相對來說比較低,而且鋼殼耐高壓情況比較好,但是它的導電性能相對來說比較差。

  這是電芯全極耳的結構分析,國內國外現在有兩種,一種是前面那種極耳的切割結構,就是留白以后,在卷繞之前先把它切好;另外一種是沒有切的結構,這兩種結構各有千秋,目前來說國內的揉平沒有很好地解決。國內現在大多數采用機械揉平,對極耳的刮擦比較嚴重,所以會產生一些碎屑,碎屑可能會直接影響電池的性能。特斯拉其實也沒有很好地解決這個問題,所以它采用切的方式,切了以后用壓平的方式來做,它的碎屑情況會好一點,但是它也有一個問題,它對疊起來以后的厚度要求比較高,因為它在焊接的過程中不太好焊,容易穿透。揉平有一個好處,它的焊接效果相當好,揉平以后很少產生焊穿的現象,焊接的牢固度各方面都會比較好一點。這兩種工藝各有千秋,我們公司目前也研發了一款無聲揉平的工藝,揉平的方式跟現在不一樣,所以我個人認為,可能揉平的方式焊接比切的效果好一點。當然這也要被大量生產以后才能獲取數據,來判斷到底哪個工藝好。

  正極集流盤目前大多數也是采用鋁,一般是用純度比較高的材料來做。

  下面一個是特斯拉的正極集流盤,一個是國內大圓柱帶有極耳的集流盤。從這個結構設計理念上來說,這兩個集流盤的設計其實都存在著一個比較大的問題,就是自動化程度比較難實現。你看它中間的焊接,特斯拉的焊接就是在中間像一朵花的片片里面焊接,自動化是做得到,但是效率會大大降低。第二個也是一樣的,它有一個極耳,而且焊接要在兩個規定的范圍內焊接,從設備角度上來說是能實現,但是它的效率也是會大大降低。

  我們公司目前采用的極耳也是能夠在全方位、全角度焊接的理念來做,在不久的將來我們會推出我們的集流盤分享給業內。

  這是負極的集流盤結構和材料,它的材料基本上都是采用T2銅,還有的是采用其它焊接比較好的材料,以銅為主。但是這兩個集流盤的設計也是跟正極集流盤一樣,也存在這些問題,就是自動化程度在設計上存在一些缺陷。

  這是一個正極集流柱的設計,目前國內的結構跟特斯拉的結構基本上是差不多的,都采用鋁,通過鉚接或者超聲波焊接的方式來固定。

  這是負極結構的材料,負極結構底蓋大多數都采用鐵和不銹鋼來沖,這個地方的設計也有一些要求,前面兩個是特斯拉的材料設計,它可能會比較厚,因為它中間平面跨度的地方比較大,后面兩個是我們自己的結構,前面一個是采用輥槽結構的,后面兩個是采用焊接結構的,中間的加長筋的設計也很要緊,因為圓柱電池最薄弱的環節就是它不是在鋼殼部分,鋼殼部分承受的壓力是完全夠的,它就是兩個平面,里邊的壓力大的時候兩個平面會鼓起來,所以它的強度要求特別高。一個是增加它的厚度,第二個是加長筋的設計,這個看上去很簡單,加長筋要在合理的范圍內加長,一條不夠,可能會采用兩條加長筋。

  這是一個密封件,國內這一塊推出的也很多,在18650上采用的PP材料比較多,國內現在也在試制PFA這種材料,它的性能是相當優越的,但是它材料太貴了,所以一般的廠家用起來成本比較難接受,還有它的注塑條件比較苛刻,所以這兩種材料目前用得比較多。

  下面那個是安全閥的設計,特斯拉二代的安全閥,我判斷大概就在第一個的范圍內。第二個是國內的安全閥的設計,兩頭鋁的大圓柱的安全閥。第三個是我們自己研發的結構,國內也有人在用。

  這三個結構從設計要求上來說,特斯拉的結構也是相當優秀的,但是它有一個問題,它的安全閥這個部位在整個平面上是最薄的環節,假如說這個負極底蓋是0.5的厚度,安全閥部分會沖壓成0.2甚至是更低的厚度,在內壓增加的情況下,它最薄的地方就打破了,就瀉壓了。第一個的缺點在什么地方呢?一般沖壓要把等厚的沖壓變薄,需要沖好幾道,沖擊的成本比較高。第二個結構,采用的是鋁的薄片焊上去的,這個鋁的薄片非常薄,底蓋可能是1毫米,它大概就是0.1毫米,就是這樣比較薄的焊上去的,或者是在上面沖得比較薄。我們的結構是比較適合不銹鋼結構的,因為你看到它的防爆鉤的設計在電池的內部,采用不銹鋼是比較合適的。如果采用鐵就不行,如果后面沖刺一道防爆鉤,那你必須要處理,處理了以后,它的防爆壓力就會變化,所以就變得不可控。如果采用鐵的話,我們的防爆閥會沖在正面,然后在正面涂上防銹膠來解決。因為鐵是直接面對電池內部,對電池的質量還是會有影響。

  還有一個是密封膠,目前來說密封膠在這方面的應用也是有人在做的,一個是要耐腐蝕,還要耐高溫,還有固化要快,另外黏性要好,工藝性要好,要適合量產線的要求。

  還有就是注液孔的設計,看上去這個注液孔,特斯拉的是設計在中心位置的,國內之前的大圓柱注液控是設計在偏心的,偏心和中心有什么區別呢?這個主要是在圓柱電池的特性里面,對自動化程度是一個比較優秀的設計,一般我們都會選擇在中心軸,因為圓柱電池只要外殼定位,就很容易找到它的中心。你如果在偏心,要用電器的設備系統判斷這個孔的位置在哪里,自動化程度就大大下降。以后在設計過程當中,這些都是需要注意的,作為圓柱電池,設計在中心孔是比較好的。

  還有一點,我們的注液孔設計在中心部位,還有另外一個考慮,就是正極集流柱和正極集流盤的焊接,我們是通過中心孔周邊的地方去焊接,所以我們解決了正極集流柱和正極集流盤焊接的一個比較大的難題,特斯拉也不是采用這種方式來做的,從它的解剖情況來看,它也是通過超聲波焊機,它能焊牢,但是效率比較低,要達到200、300PPM,需要多少焊機去焊這個東西?所以在設計上還有一些地方需要改進,我看到國內有些企業也是在做扭矩焊,我覺得在效率上會存在一些問題。

  目前我們公司推出了一個概念,采用一種柱解的概念,目前這個技術我不在這里展開講,因為時間到了。以后如果大家有需要,可以找到我們公司,我們可以做一些技術交流,我個人也愿意把我們的工藝技術跟電池行業分享,謝謝大家。

(以上為演講速記,未經演講者審閱。)

稿件來源: 電池中國網
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