首页>资讯中间>行业资讯 钜年夜LARGE|点击量：1160次|2023年01月07日 锂电池（LIB）已成为现代社会糊口中主要的能量存储解决方式之一。锂电池的利用范畴和市场份额敏捷上升，并继续显现不变上升的趋向。锂电材料的研究获得了庞大的成绩，业界已采取了很多立异材料并将其贸易化。可是，有关锂电池的制造方面的研究比力少，并且很多研究人员可能其实不领会LIB的具体系体例造体例和分歧的工序若何影响本钱、能耗和产量。是以，电池制造的立异主要集中在公司，高校和研究院所对此方面的研究较少。本文介绍了当前锂电主要的制造手艺，并按照出产进程阐发了本钱，产量和能耗。然后，重点综述了锂电制造的本钱，能耗和工序时候等方面的研究进展，和将来的手艺成长趋向。 锂电池的制造工艺 如图1所示，当前最早进的电池制造进程包罗三个主要部门：电极制备（混料、涂布、干燥、溶剂收受接管、辊压、裁切、电极真空干燥），电池组件（叠片或卷绕、焊接、入壳、封口、注液等）和电池电化学激活（预充电、化成、老化等），制造本钱占锂电本钱的25％摆布。 图1锂电池制造工序 标称电压：21.8V标称容量：15mAh电池尺寸：51×80×236mm利用范畴：便携式激光装备、蚀刻机、打标机 本钱，产量和能耗阐发 采取Argonne国度尝试室的BatPac模子计较锂电池的制造本钱，该模子基在67Ah的LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2（NMC622）/石墨电池，厂范围为100,000个EV电池组/年。制造本钱包罗装备折旧、人工本钱和厂占地面积本钱。劳动力本钱是按照美国平均厂工人的工资美金15/h计较的（美国经济研究所，2020年）。占地面积本钱是按照每一年美金3,000/m2计较的（包罗房钱，水电和治理费用，Nelson等，2019）。折旧本钱是按照装备投资的16.7％和占地面积本钱的5％计较得出（Nelson等，2019）。各工序具体本钱明细、产量和能耗如表1和图2所示，电极涂层干燥，电池化成和老化占全部制造本钱的48％。 本钱前金年会三的制造工序： 1.化成和老化：32.61%，耗时长，出产效力低，占地面积年夜2.涂布/干燥：14.96%，干燥、溶剂收受接管能耗高3.电池封装：12.45%，热封口或焊接 表1各工序本钱、产量和能耗阐发 图2锂电池制造各工序本钱和能耗 产量和制造本钱高度相干，更高的出产效力可以节流人工本钱和场地房钱。表1中也列出了各工序所需的出产时候。卷对卷制造工艺（例如涂布，压延和分切）的出产效力跨越35m/min。但是，因为其严酷的水份节制和微不雅复杂的化学反映，真空干燥和化成/老化等进程很是耗时（最长达3周）。 充电温度：0~45℃放电温度：-40~+55℃-40℃最年夜放电倍率：1C-40℃放电容量连结率：0.5C放电容量≥70% 在中试厂丈量了32Ah锰酸锂（LMO）/石墨电池出产的能耗，表1和图2给出了具体的数据。因为长时候的加热和废气冷却，最高能量耗损工序是干燥和溶剂收受接管（约总能量的47％）。另外一个主要耗能是车间除湿，耗损了总能量的29％，这主要是由于电池组装进程中的低水份要求必需节制情况湿度。这些高能耗工序会致使年夜量温室气体排放，并使锂电池的情况友爱水平下降。是以，电池制造中应斟酌削减溶剂用量乃至避免利用溶剂。同时，提高干燥车间的出产效力以下降连结低水份含量的能耗占比。 锂电池制造的研究进展 按照前面的制造本钱阐发，一些制造工序对LIB制造的本钱，产量和能耗有很年夜影响。制造工艺手艺立异关在下降本钱和能耗并提高产量很主要。后面会商锂电池出产制造工艺的一些研究进展，主要集中在混料，涂覆/干燥，溶剂收受接管，辊压，裁切和化成和老化等工序。 图3LIB制造的研究进展： （A）混料方式示意图：（I）改良的高速剪切夹杂器;（二）球磨；（三）超声夹杂。 （B）无溶剂涂布方式的道理图：（I）干压涂布手艺；（二）干法喷涂手艺；（三）静电涂装法。（C）立异的化成手艺：（I）经由过程限制电压窗口的快速化成方式；（II）脉冲电流化成法式；（III）经由过程原子层沉积构成人工SEI的示意图。 1、浆料夹杂 混料占总制造本钱的7.9％，而且要破费相对较长的时候来制备平均不变的浆料。当前工业上一般利用行星式搅拌机来制备多量量的浆料，混料手艺优化的方针是经由过程提高产量来下降本钱，并且电极的电化学机能也和混料前提和操作工艺紧密亲密相干，夹杂平均性会影响电极的微不雅布局和组分散布。混料工艺研究主要包罗： （1.1）混料装备和手艺 高速剪切夹杂器（HighShearMixer，HSM）是一项成熟的手艺，今朝慢慢利用到电池行业，可以或许年夜幅提高夹杂效力和平均性。HSM夹杂器凡是包罗外部搅拌装配，例如涡轮机（图3A-I）。紊流剪切应力是HSM中打破颗粒团圆体的主要机制。 球磨也是电池制造中干粉和浆料夹杂的经常使用方式。关在干粉夹杂，颗粒的概况能和黏附力会影响组分的散布。例如钴酸锂（LCO），导电碳C65和粘合剂PVDF在球磨进程中，可能会在LCO颗粒之间生成C65和PVDF附着物，从而有益在活性物和电解质之间的Li+互换。如图3A-II所示，球磨可以有用分离团簇并改变颗粒概况形态。 （1.2）高浓度混料 提高电池制造效力的另外一种方式是新增浆料的浓度，削减溶剂用量可以节流材料本钱和干燥时候。超声夹杂可以经由过程微气泡塌陷和微湍流实现高浓度夹杂（图3A-III）。并且和HSM方式比拟，无外部搅拌的超声夹杂耗损的能量更少，特殊是高浓度的浆料夹杂。 （1.3）混料挨次优化 除夹杂方式外，基在分歧材料的研究注解，夹杂挨次会影响电极机能和电化学机能，对颗粒概况能和内聚力的根本研究可以有助在理解夹杂机理，并进一步优化夹杂手艺。 2、涂布、干燥和溶剂收受接管 涂布和干燥（包罗溶剂收受接管）约占总制造本钱的20％，常规的涂布和干燥进程经由过程卷对卷进行：将充实夹杂的浆料泵送到狭缝模头，并以必然厚度涂覆在集流体概况上，然后将涂覆的湿电极输送到干燥箱中蒸发溶剂。经由过程冷凝器收受接管有毒且昂贵的NMP溶剂，然落后行蒸馏。 （2.1）水系粘结剂 干燥和溶剂收受接管进程的能耗最高（46.8％）。正极出产中的有机溶剂NMP（沸点：202C）蒸发和收受接管是高能耗和长时候的进程，改换或避免利用有机溶剂成为下降能耗和削减时候的最有用方式。采取水基粘合剂取代了有机系统可以避免溶剂收受接管进程，并且水基粘合剂，例如纤维素和木质素基聚合物本钱也很低。但是，年夜大都正极材料对水敏感，特别是层状氧化物正极。 （2.2）干法电极手艺 除这些常规浆料涂布手艺的改良办法以外，干法电极出产工艺是终究解决方式。MaxwellTechnologiesInc.（Tesla收购）经由过程挤压充实夹杂的干粉来构成延续的自支持电极膜来开辟无溶剂电极涂覆手艺。然后将膜层压到箔材上，并成为制品电极（图3B-I）。在1,500次轮回后，4mAh/cm2的干法涂层NMC111/石墨全电池可以到达90％的容量连结率，并且干法涂层电极的最年夜面积负载可以到达36mg/cm2。 别的，还静电喷涂和热压手艺出产无溶剂电极。喷涂后的电极被输送到热辊上，该热辊可以加热活化粘结剂，从而在颗粒和集流体之间供给足够的粘合强度（图3B-II）。干颗粒之间的内聚/粘附用处构成了非凡的微不雅布局，使活性颗粒上的概况和电解质更多接触，由粘结剂和导电剂构成的交联收集可以新增极片电导率，下降总电阻并改良电化学机能。 Liu等开辟了不延续PVDF中心层的干式印刷阳极，以加强电极和集电体之间的连系强度。Sch auml;licke等连系流化床和静电系统以实现石墨阳极的无溶剂涂覆方式，并比力了分歧粘合剂（四氟乙烯，六氟丙烯偏二氟乙烯[THV]和氟化乙烯丙烯[FEP]）的结果（图3B-III）。 （2.3）涂层干燥工艺优化 当前，干燥方式优化也是下降本钱和缩短时候的有用方式。Jaiser等发现了三阶段干燥策略，可以削减40％的干燥时候。最先和最后阶段采取高干燥速度，这可以节流干燥时候，而中心阶段低干燥速度可以避免粘结剂迁徙。 为了降服传统空气对流干燥方式干燥速度慢的问题，其他加热源（例如红外线和激光束）可以光鲜明显提高干燥效力 涂层和干燥是电极制造的要害进程。无溶剂制造成为跳过干燥进程并避免利用有机溶剂的有用方式。无溶剂制造的另外一个益处是可以制造较厚的电极。固然今朝年夜大都无溶剂制造方式都面临平均性和范围化问题，但会带来庞大的本钱节流和高效力。 3、辊压 辊压是决议电极的物理性质并新增电极和集流体之间的连系强度的工艺进程。该工序制造本钱低（占总本钱的5.19％），而且是比力成熟的手艺，对辊压新工艺方式的研究很少，但辊压进程工艺参数和其对电池机能的影响不容轻忽。 4、裁切 分条是卷对卷操作的工序，占总本钱的3.09％，出产效力高（80-150m/min）。但毛刺和浮渣等边沿缺点可能会穿透隔阂并造成短路。 激光切割是一种具有高度矫捷性的普遍利用的成型手艺。激光切割可使边沿清洁，变形少，而且切割宽度和效力可以经由过程激光功率和扫描速度来节制。红外光纤激光在阴极和阳极上仅以54W的功率便可以到达30m/min的切割速度。绿色激光可以将间隙宽度限制在20 m以下，从而可以下降产生短路的可能性。可是，除边沿质量外，激光切割在电极概况上酿成的金属飞溅可能引发电流密度不平均，致使锂枝晶的发展，也是内部短路的本源。 5、真空干燥 真空干燥是必不成少的工序进程，要年夜量的精神和时候。残留水份和电解液的锂盐LiPF6之间产生反映生成氟化氢（HF）气体，这会粉碎活性颗粒并引发平安隐患，这些副反映还会致使电化学机能降落。 6、焊接 焊接占总制造本钱的7.34％，耗损的能量约为总能量的2％。进步前辈的焊接手艺都是高度主动化的。可是，焊接潜伏的故障可能会致使严重的平安问题，好比焊接不良致使电阻新增，从而致使电池工作温度比力高（最高80C），特别是汽车用动力锂电池会致使毗连电阻和温度转变，引发热膨胀乃至热疲惫并破坏极耳焊接接头。电动汽车（EV）凡是在年夜电流下充电，高电阻不但会致使能量损掉，还会呈现年夜量热量，这将致使电池退化乃至热掉控。 激光焊接具有最低的接触电阻和最高的抗拉强度。可是，毗连异种和高反射率材料时限制了激光焊接的利用。TSLA比来发布了采取tabless手艺的新型4680电池，电极的未涂布的集流体边沿充任接线片，和颠末非凡设计的多触点壳体底部相连。增年夜的接触面积可以光鲜明显下降电池阻抗和充电/放电电流呈现的热量。节流了电极毗连片和更年夜的电池尺寸也致使能量密度新增16％。 因为焊接在全部制造进程中的本钱低廉和能耗低，今朝对电池焊接手艺的研究主要集中在评估现有的焊接方式上，而不是开辟新的方式。 7、化成和老化 在化成和老化进程中，电解质分化并在石墨阳极概况上构成SEI层。假设化成电流或温渡过高，构成多孔松散的SEI层将没法禁止电解质和阳极概况接触，电解质会延续分化，将耗损电解质和正极中有限的锂，并致使容量降落。致密且不变的SEI层凡是要多个低倍率充放电轮回才能构成，迟缓的化成工艺会年夜年夜新增投资本钱，并耗损更多的劳动力和空间资本。化成和老化进程占制造总本钱的32％，最多可能要3周才能完成。电池行业孔殷地但愿加速化成进程，同时又不会下降电池机能。 削减化成时候的最直接方式是提高化成倍率，而年夜电流的化成还可能因为极化而致使在石墨概况析锂并引发平安隐患。 （7.1）化成方式优化 为了节流本钱，减小化成电压窗口和新增化成电流多是可行的方式。Lee等提出了将截止电压从4.2V下降到3.7V，这可使LCO/石墨电池的化成时候减半。经由过程比力分歧截止电压电池的轮回机能发现，SEI的构成年夜部门在3.7V之前完成。电化学机能显示快速化成的电池（2.7-3.7V）和对比组（2.7-4.2V）之间的轮回不变性和库伦效力没有光鲜明显差别。相反，伍德等发现SEI层的主要构成产生在高电荷状况（SOC）规模（高压充电和放电）之间，而且在高SOC下构成的SEI加倍紧凑和不变。是以，如图3所示，在3.9至4.2V之间反复高SOC充电和放电可实现不变的SEI，且化成时候更短，且不会影响电化学机能。 除采取直流电的化成策略外，以特定频率充电的脉冲电流还能使缩短静止时候，而且可以消弭电解质/阳极界面处的浓度极化（图3C-II）。脉冲电流充电时可以在化成进程中采取更高的充电速度，从而削减了化成时候，并且脉冲电流充电策略还可以减缓容量衰减并按捺热量呈现。可是，脉冲电流和频率要针对分歧的电池系统进行设计，不适合的脉冲电流参数会致使容量下降乃至破坏电池。 （7.2）人工SEI膜 人工SEI层不消斟酌SEI层的复杂构成和不清晰的生成机理，是加快化成进程的潜伏解决方式。致密且不变的人工SEI层可以取代电化学构成的SEI，并以较高的速度运行构成。例如Wang等利用原子层沉积（ALD）在石墨概况沉积TiO2薄膜（图3C-III），人造SEI层表示出更好的电化学和热不变性。可是，人工SEI层凡是会带来额外的本钱，而且难以利用在多量量出产的环境。 结论 化成和老化（32.16％），涂覆和干燥（14.96％）和封装（12.45％）是锂电池制造本钱的前三位。化成和老化（1.5 ndash;3周），真空干燥（12 ndash;30h）和混料（30min ndash;5h）在出产时候中占最年夜比例；干燥和溶剂收受接管（46.84％）和除湿干燥间（29.37％）是最年夜的能源耗损。这些工序的改良对LIB的制造本钱呈现了庞大影响。 （1）引入并研究其他制造范畴的夹杂手艺，这些研究为锂电行业供给了更多制备浆料的选择。另外，夹杂挨次和混猜中的颗粒行动的根本研究可为提高夹杂平均性和效力供给根据。 （2）对涂层和干燥工艺的研究较多。无溶剂涂布手艺可以消弭耗时耗能干燥步调。干法涂布手艺今朝可以到达中试范围的出产，具有工业化的潜力。 （3）有关化成和老化的研究比力少。今朝急需改良化成和老化手艺，缩小化成轮回的电压规模可以有用地削减化成时候。可是化成电压窗口的研究成果仍存在争议，SEI的构成机理和构成还其实不清晰。人工SEI涂层手艺仍处在尝试室范围，而且因为本钱而难以实现范围化因为SEI的主要成份是电解质的分化产品，是以对电解质系统的研究有助在在较短的化成时候内构成不变的SEI层。高浓度电解质（盐 3M）可以实现不变的阴离子衍生SEI层。可是，高本钱和高粘度使其没法现实利用。弱溶剂化电解质（WSE）构成一个富含无机物的阴离子衍生的SEI层。是以，对新型电解质系统的研究可以或许削减化成时候并同时提高电化学机能。 参考文献 LiuY,ZhangR,WangJ,etal.CurrentandFutureLithium-IonBatteryManufacturing[J].iScience,2021,24(4):102332. 上一篇："进来旧电池，出去新电池"，安徽这家园区打造全国轮回经济标杆 下一篇：长虹能源申购 发力电开工具电池市场 2016-2020年，锂离子电池实现手艺进级，新型锂离子电池单体比能量提高一倍，到达350Wh/Kg，本钱下降50%，到达0.6元/Wh；电池系统比能量提高一倍，到达250Wh/Kg，本钱下降一倍，到达1.0元/Wh。 中国电动汽车百人会研究陈述显示，我国动力电池成长以支持新能源 锂电池的利用普遍，从平易近用的数码、通讯产物到工业装备到特种装备等都在批量利用，分歧产物需要分歧的电压和容量，是以锂离子电池串连和并联利用环境良多，锂电池经由过程加装庇护电路、外壳、输出而构成的利用电池称为P 4高 285瓦时/千克，700瓦时/升 100C延续放电 80℃高温轮回200周 上限电压4.45V，平台电压3.85V 1防爆 200Wh/kg高能量密度 改性三元化学系统
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