宁波久钜智能装备有限公司董事长朱效铭:全极耳大圆柱锂电池结构及材料实践
发布时间:2023-05-17 10:40:00
关键词:锂电池

久钜智能朱效铭:关注大圆柱——全极耳大圆柱锂电池结构及材料实践

图为宁波久钜智能装备有限公司董事长朱效铭作主题演讲

  朱效铭:今天跟大家分享的是“大圆柱电池结构和材料的实践”。

  (见PPT)这是我的个人简介,我做电池大概有40年的时间了,在电池行业还是做了一些工作,曾经在碱性电池领域里面有一定的贡献,我主导的项目获得过国家科技进步二等奖。

  下面跟大家分享一下关于大圆柱方面的几个实践。

  大圆柱看上去结构比较简单,但是它的电池设计是比较关键,因为关系到安全性、密闭性以及能源利用率、生产效率,这些都有直接的影响。作为一个全新的产品,现在大多数的企业都是在比较保密的情况下进行的,公开的数据不多,我这里根据一些公开资料的介绍和我个人的实践,跟大家分享一下。

  这是一个小视频,介绍我们做的一些设计。

  (播放视频)

  大圆柱电池跟传统的圆柱电池有很大的区别,目前大多数的企业还是在研发设计中,真正量产的不多,包括特斯拉、松下,他们现在也基本上都是处于中试阶段。最近特斯拉也有好几个产品推出来,其实它在结构方面还是在做一些改进,因为二代相比一代的结构还是有点不一样的。

  从结构要求来说,一是要满足它的性能要求,包括大电流输入、充放电、改善热失控,提高电池的容量。

  第二是在生产工艺上要满足工艺上的要求,其实这一点很重要,它的结构很简单,刚才视频大家也看到了,它的结构就是几个零件,就是正负极、电芯极耳、集流盘、集流柱、正极盖、负极盖,就这么几个零件。但是这几个零件的组合和它结构的变化,跟工艺是有很大关系的。目前来说,大圆柱全极耳有很多工厂在生产,全极耳的工艺,它真正的输出还是有极耳的,特斯拉推出了一款新的结构以后,国内的企业也都在向这方面靠拢,但是国内的比亚迪、比克、亿纬、国轩,他们都在做自己的大圆柱方面的结构,大家各有千秋,都有不同的地方。在设计当中要满足工艺要求也是很要紧的,同时又要提高生产效率,因为生产效率的提高对电池的成本会有更大的影响。

  第三是要满足自动化要求,结构件的合理设计直接影响生产线的自动化,因为一个零件如果设计不合理,它自动化程度做不到,就像我们现在32140、34140这种国内在做的大圆柱,它有极耳的,有极耳的电池严格来说在自动化程度方面是有些欠缺的。

  第四是要满足成本的要求,如果结构件比较复杂,制造成本回比较高。

  第五是要满足安全性的要求,比如说防爆阀结构的设计、部位的设计,直接影响电池的安全。目前特斯拉的电池要求负极采用防爆阀,国内有些企业采用的是正极输出防爆阀,这些结构对汽车里面影响比较大,因为汽车里面需要负极装在底盘下面,假如说防爆的话,它就直接冲到下面去,如果在上面的话,它可能会对整个电池的安全性有影响,所以它在安全性方面是有严格要求的。

  第六是要满足回收、利用和环保的要求。现在锂电池回收这一块也是比较大头的,如果结构比较复杂,以后拆解不太容易,就会导致回收的成本比较高。

  (见PPT)这是特斯拉的电池结构,看上去就很简单,正极极柱、壳体正极集流盘、正极集流盘、负极端盖,这是很简单的,现在很多电池企业都在做这方面的研究,做到最后在工艺上也会有很大的差别。

  (见PPT)这是它的二代,相比一代没有什么大的区别,就是在负极集流盖那个地方,之前采用的是辊槽工艺,现在采用的是焊接工艺。

  这是我们的一款结构,当然我们公司也有好多款结构,因为我们公司除了做电池生产线之外,我们在电池结构方面也做了一些探索,目前可以帮助同行业在这方面发展。

  这是我们公司曾经做的一款4680大圆柱电池。

  这是现在32140、34140结构的电池,它也算是大圆柱,但是它的结构跟4680还是有些类似的,也是采用极耳输出的方式。

  这是国内有几家在做的两头输出的结构,两头输出目前大多数用在两轮车上面,因为两头都要焊接,它的焊接Pack成本比较高,特斯拉的电池在正极端和负极端在一个平面上,Pack的时候成本会很低。

  下面是从结构和材料方面跟大家分享一下,外壳目前来说锂电池大圆柱分为单头开口和两头开口的结构,一般来说直径比较短、高度比较低的采用单头开口的结构,比较长的一般采用两头开口,因为长了以后,它的外壳冲制成了问题,钢壳的拉伸比是有极限的,铝壳虽然拉伸比较好,但是它拉伸也是有极限的,所以一般会采用两头的。假如说高度比较高的,国内有46250这种圆柱,如果要超出它的冲制外壳比例,我们会选择两头开口的方式。

  外壳的材料目前来说就是用铝的,因为铝的导电性能比较好,散热性能比较好,冲刺性能也比较好,它的缺点就是材料成本相对来说比较高。另外一种材料就是用深冲钢带,大家在18650上都看到过,这种材料的成本相对来说比较低,而且钢壳耐高压情况比较好,但是它的导电性能相对来说比较差。

  这是电芯全极耳的结构分析,国内国外现在有两种,一种是前面那种极耳的切割结构,就是留白以后,在卷绕之前先把它切好;另外一种是没有切的结构,这两种结构各有千秋,目前来说国内的揉平没有很好地解决。国内现在大多数采用机械揉平,对极耳的刮擦比较严重,所以会产生一些碎屑,碎屑可能会直接影响电池的性能。特斯拉其实也没有很好地解决这个问题,所以它采用切的方式,切了以后用压平的方式来做,它的碎屑情况会好一点,但是它也有一个问题,它对叠起来以后的厚度要求比较高,因为它在焊接的过程中不太好焊,容易穿透。揉平有一个好处,它的焊接效果相当好,揉平以后很少产生焊穿的现象,焊接的牢固度各方面都会比较好一点。这两种工艺各有千秋,我们公司目前也研发了一款无声揉平的工艺,揉平的方式跟现在不一样,所以我个人认为,可能揉平的方式焊接比切的效果好一点。当然这也要被大量生产以后才能获取数据,来判断到底哪个工艺好。

  正极集流盘目前大多数也是采用铝,一般是用纯度比较高的材料来做。

  下面一个是特斯拉的正极集流盘,一个是国内大圆柱带有极耳的集流盘。从这个结构设计理念上来说,这两个集流盘的设计其实都存在着一个比较大的问题,就是自动化程度比较难实现。你看它中间的焊接,特斯拉的焊接就是在中间像一朵花的片片里面焊接,自动化是做得到,但是效率会大大降低。第二个也是一样的,它有一个极耳,而且焊接要在两个规定的范围内焊接,从设备角度上来说是能实现,但是它的效率也是会大大降低。

  我们公司目前采用的极耳也是能够在全方位、全角度焊接的理念来做,在不久的将来我们会推出我们的集流盘分享给业内。

  这是负极的集流盘结构和材料,它的材料基本上都是采用T2铜,还有的是采用其它焊接比较好的材料,以铜为主。但是这两个集流盘的设计也是跟正极集流盘一样,也存在这些问题,就是自动化程度在设计上存在一些缺陷。

  这是一个正极集流柱的设计,目前国内的结构跟特斯拉的结构基本上是差不多的,都采用铝,通过铆接或者超声波焊接的方式来固定。

  这是负极结构的材料,负极结构底盖大多数都采用铁和不锈钢来冲,这个地方的设计也有一些要求,前面两个是特斯拉的材料设计,它可能会比较厚,因为它中间平面跨度的地方比较大,后面两个是我们自己的结构,前面一个是采用辊槽结构的,后面两个是采用焊接结构的,中间的加长筋的设计也很要紧,因为圆柱电池最薄弱的环节就是它不是在钢壳部分,钢壳部分承受的压力是完全够的,它就是两个平面,里边的压力大的时候两个平面会鼓起来,所以它的强度要求特别高。一个是增加它的厚度,第二个是加长筋的设计,这个看上去很简单,加长筋要在合理的范围内加长,一条不够,可能会采用两条加长筋。

  这是一个密封件,国内这一块推出的也很多,在18650上采用的PP材料比较多,国内现在也在试制PFA这种材料,它的性能是相当优越的,但是它材料太贵了,所以一般的厂家用起来成本比较难接受,还有它的注塑条件比较苛刻,所以这两种材料目前用得比较多。

  下面那个是安全阀的设计,特斯拉二代的安全阀,我判断大概就在第一个的范围内。第二个是国内的安全阀的设计,两头铝的大圆柱的安全阀。第三个是我们自己研发的结构,国内也有人在用。

  这三个结构从设计要求上来说,特斯拉的结构也是相当优秀的,但是它有一个问题,它的安全阀这个部位在整个平面上是最薄的环节,假如说这个负极底盖是0.5的厚度,安全阀部分会冲压成0.2甚至是更低的厚度,在内压增加的情况下,它最薄的地方就打破了,就泻压了。第一个的缺点在什么地方呢?一般冲压要把等厚的冲压变薄,需要冲好几道,冲击的成本比较高。第二个结构,采用的是铝的薄片焊上去的,这个铝的薄片非常薄,底盖可能是1毫米,它大概就是0.1毫米,就是这样比较薄的焊上去的,或者是在上面冲得比较薄。我们的结构是比较适合不锈钢结构的,因为你看到它的防爆钩的设计在电池的内部,采用不锈钢是比较合适的。如果采用铁就不行,如果后面冲刺一道防爆钩,那你必须要处理,处理了以后,它的防爆压力就会变化,所以就变得不可控。如果采用铁的话,我们的防爆阀会冲在正面,然后在正面涂上防锈胶来解决。因为铁是直接面对电池内部,对电池的质量还是会有影响。

  还有一个是密封胶,目前来说密封胶在这方面的应用也是有人在做的,一个是要耐腐蚀,还要耐高温,还有固化要快,另外黏性要好,工艺性要好,要适合量产线的要求。

  还有就是注液孔的设计,看上去这个注液孔,特斯拉的是设计在中心位置的,国内之前的大圆柱注液控是设计在偏心的,偏心和中心有什么区别呢?这个主要是在圆柱电池的特性里面,对自动化程度是一个比较优秀的设计,一般我们都会选择在中心轴,因为圆柱电池只要外壳定位,就很容易找到它的中心。你如果在偏心,要用电器的设备系统判断这个孔的位置在哪里,自动化程度就大大下降。以后在设计过程当中,这些都是需要注意的,作为圆柱电池,设计在中心孔是比较好的。

  还有一点,我们的注液孔设计在中心部位,还有另外一个考虑,就是正极集流柱和正极集流盘的焊接,我们是通过中心孔周边的地方去焊接,所以我们解决了正极集流柱和正极集流盘焊接的一个比较大的难题,特斯拉也不是采用这种方式来做的,从它的解剖情况来看,它也是通过超声波焊机,它能焊牢,但是效率比较低,要达到200、300PPM,需要多少焊机去焊这个东西?所以在设计上还有一些地方需要改进,我看到国内有些企业也是在做扭矩焊,我觉得在效率上会存在一些问题。

  目前我们公司推出了一个概念,采用一种柱解的概念,目前这个技术我不在这里展开讲,因为时间到了。以后如果大家有需要,可以找到我们公司,我们可以做一些技术交流,我个人也愿意把我们的工艺技术跟电池行业分享,谢谢大家。

(以上为演讲速记,未经演讲者审阅。)

稿件来源: 电池中国网
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