发展我国锂离子动力电池关键工艺设备思考

电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（ 总第 178 期 ）Nov． 2009发展我国锂离子动力电池关键工艺设备思考郎鹏， 任剑(中国电子科技集团公司第二研究所 ， 山西 太原 030024)摘 要 ： 锂离子电池作为一种性能优越的新型二次电源越来越得到行业重视 ， 尤其是锂离子动力电池未来市场前景广阔 ， 被更为看好 。 介绍了锂离子动力电池的发展应用概况和目前我国该行业与国外先进水平对比及存在问题 ， 并重点就滞后于行业发展的关键工艺装备技术做了分析 ， 阐述了作者的观点 。关键词 ： 锂离子 ； 动力 ； 电池 ； 工艺 ； 设备中图分类号 ： TM911.6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1004-4507(2009)11-0023-04Thinking about Development of Chinese Lithium-ionPower Battery Critical Process EquipmentLANG Peng, REN Jian(CETC NO.2 ResearchInstitute, Taiyuan 030024, China)Abstract: The lithium-ion battery as a new type of secondary power supply which has superiorperformances, is gaining more and more attention in battery industry, especially the big market infuture is more optimistic. This paper introduces the development and applications of the lithium-ionpower battery, and mentions the comparisons of present level in china with advanced level in foreigncountries and the current problems. It mainly analysesthe technologies and technics of key equipmentsleft behind the development of lithium-ion battery industry, and elaborates author s viewpoints.Keywords: Lithium-ion; Power; Battery; Technology; Equipment收稿日期 ： 2009-11-05锂离子电池作为一种新型储能电源， 具有能量高 、 工作电压高 、 工作温度范围宽 、 体积小 、 质量轻 、贮存寿命长等优点，已成为新一代绿色环保电池，迅速成为电源市场的新宠，并正在逐渐取代镍镉 、镍氢电池 。 随着能源的紧缺和世界环保方面的压力，大容量动力蓄电池逐渐形成动力电源的主体，其中作为绿色蓄电池的锂离子蓄电池， 因不会造成二次污染且不具有记忆效应等， 逐渐成为动力电源作者简介 ： 郎鹏 （ 1958-） ， 男， 毕业于西安交通大学， 研究员级高工， 主要从事电子专用设备设计与研究工作 。趋势与展望23电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE（ 总第 178 期 ） Nov． 2009未来市场应用的首选 。 锂离子动力电池在混合动力车 、 电动汽车 、 电动自行车 、 电动手工机具市场， 以及未来太阳能 LED 路灯储能设备等方面都具有非常大的市场应用前景； 在现代军事装备如各种武器及装置的检测系统 、 引信系统， 海陆空便携式武器 、军事通信和航天应用方面也都将锂离子电池作为高可靠性的二次电源， 因此环境适应性好 、 高比能 、高安全性和小型轻量化的锂离子动力电池的研究正在成为目前国内外研究热点和未来发展方向 。就目前情况而言， 锂离子动力电池生产工艺装备国产化水平和自给满足能力并不乐观， 一些关键工艺先进装备还需要依靠国外进口， 特别是先进的极板制造技术及其工艺设备， 不仅价格昂贵而且还受到限制； 此外， 尚存在一些制约我国动力锂电池发展的关键问题急待解决， 如安全性 、 一致性 、 制造过程质量控制 、 规模化生产能力等 。 因此抓紧锂电池相关先进工艺技术研究及装备研制是保证我国动力电池产业健康发展的重要战略步骤之一 。1 生产工艺及设备1.1 典型工艺锂离子动力电池生产工艺比较复杂， 大致可分为极片制作 、 电池单元 (电芯 )制作和电池组装三个工段 。 极片制作工艺包括制浆 、 涂覆 、 辊压 、 分切 、 极耳成型等工序，是锂电池制造的基础，因此对极片制造设备的性能 、 精度 、 稳定性 、 自动化水平和生产效能等有着很高的要求；锂离子电池单元制造工艺主要包括卷绕或叠片 、 装壳 、极耳及外壳焊接 、 注电解液等， 各工序对精度 、 效率 、 一致性要求非常高； 电池组装工艺主要包括化成 、 分选 、 组装等， 电池的组装是一门很重要的技术， 它不仅涉及到对构成电池组的单体电池进行测试 、 分类 、 组合， 还有对组装后的电池组性能 、 可靠性测试与评估 。锂离子电池单元 (电芯 )的生产工艺目前主要采取两种技术路线， 即卷绕法或叠片法 。 目前卷绕式生产工艺应用较为普遍， 其生产速度较快， 产品一致性有保证； 叠片式生产工艺较卷绕式复杂， 但电池的尺寸设计更为灵活， 如方形等， 从电池的散热角度讲设计也较合理， 此外叠层式结构的电池可以最大限度地降低电池的内阻， 降低电池放电时的压降， 提高功率性能 。 二者互有所长 、 各具特色 。不论何种生产工艺，在对锂电池产品的安全性 、 一致性的要求上都是一致的， 如何提高工艺装备的技术水平， 提升自动化程度成为装备行业技术进步的关键问题 。锂离子电池典型工艺流程见图 1 所示 。1.2 我国工艺装备现状及与国外先进水平对比“ 十一五 ” 以来， 随着我国锂离子电池工艺技术的发展， 锂离子电池装备技术水平获得了迅速的提高 。 国内一些地方设备制造企业如广东东莞千鸿 、 西安泰格尔机电设备制造有限公司 、 太原风华信息装备股份有限公司等已研制出了成套的锂离子电池生产设备， 如涂覆机 、 辊压机 、 极片分切机 、 自动卷绕机 、 自动叠片机 、 封边封口机 、 注液机等 。 但尽管如此， 总体上我国锂电池工艺装备与国际先进水平相比差距仍然较大 。 表1 为国内外锂电池关键工艺装备技术比较情况 。正 负 极 活 性物质 、 导接剂混合搅拌 涂覆干燥 、辊压极片分切 、隔膜分切注入电解液 封口外壳焊接卷绕 /叠片化成 分选 组装图 1 锂离子电池制造工艺流程图表 1 国内外锂电池关键工艺装备技术比较关键工艺装备技术水平对比 国内设备自动化程度半自动化为主，全自动设备效率较低国外全自动化生产，高效率电芯实现工艺 以中小尺寸卷绕为主 卷绕 、 叠片兼有＜ 0.3叠层精度 /mm ≤± 0.5极片涂布速度 /m· min-1 ≤ 5 ≤ 10极片涂覆精度 /mm ≤± 0.005 ≤± 0.003隔膜厚度 /μ m >16 ≥ 12磷酸铁锂正极材料比容量 /mAh/g ≤ 150≤ 200磷酸铁锂正极材料振实密度 /g/cm3 ≤ 1.2 ≤ 1.5安 全 检 测 管 理 系统， 组装一致性不完善，未形成健全 的 管 理 体 系 ， 电池组一致性差较完善，管理体系标准化，电池组一致性较高趋势与展望24电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（ 总第 178 期 ）Nov． 20091.3 亟待突破关键技术据以上分析我国锂离子动力电池工艺装备主要应从以下几方面寻求突破：(1) 组线能力研究 、 生产工艺过程自动化技术研究， 改变我国目前手工 、 半自动化为主的生产状况， 提高生产效率 、 产品质量和管理水平；(2) 精密中大尺寸全自动卷绕关键工艺装备 (电芯宽度 ＞ 100 mm， 端面精度 ＜ 0.1 mm)技术研究；(3) 精密全自动叠片工艺装备 (100～ 200 层， 叠片精度 ＜ 0.3 mm)技术研究；(4) 先进涂覆工艺装备 (涂覆速度 ≥ 10 m/min ，涂覆精度 ≤± 0.003 mm)技术研究；(5) 先进隔膜生产工艺装备 (隔膜厚度 ≤ 12 μ m)技术研究；(6) 生产过程自动检测仪器及装备技术研究 。2 行业发展思考目前我国锂离子电池生产制造设备技术水平提升面临着快速发展的历史机遇 。 国内市场容量逐年加大， 在近 5 年时间里， 锂离子电池设备需求量平均每年增长 100％ 以上 。 国内涌现了一批配套能力很强的锂离子电池生产企业，他们在积极寻求与国外企业战略合作的同时不断加大自主研发力度， 现已具备了研发先进工艺装备水平， 有助于加速锂离子动力电池工艺设备国产化的进程 。2.1 重点突破方向(1) 将电池的制造工艺技术 、 参数融入到生产设备的设计和制造之中，使设备真正成为电池生产厂商独特工艺技术实现专用化 、 精密化和高效自动化的保障 。(2)由于动力电池多为成组使用， 电池一致性要求高，开发先进的生产装备保证电池极片产品的稳定性和高精度要求， 来保证投料后极片产品的批次稳定性，提高在每道工序生产的半成品的 Cp 值和 Cpk 值 。(3) 对于先进新一代设备在设计的安全性 、 防爆性能和三废排放上将有更严格的标准 。(4) 对设备提出更高柔性化设计要求， 在更换产品规格时， 设备应便于调整， 同时， 便于维修和维护 。2.2 关键设备研发2.1.1 电极材料关键制造设备电极材料隔膜制备 、 表面涂布技术等自动化高精密设备使用将会大大提高材料表面质量和物理化学性能， 最终使电池贮存性能及循环寿命取得突破 。 主要设备有精密自动涂布机 、 精密自动隔膜及极片分切 、 成型机等 。电池单元制造关键工艺设备电芯生产设备的自动化程度和效能问题成为制约锂电池产业发展的瓶颈之一 。 中大尺寸精密全自动卷绕机 、 叠片机 、 焊接机 、 注液机等研制成为关键 。电池组装测试设备鉴于各个单元电池之间的参数及个体性可能存在微小差异， 研究满足先进生产体系中质量一致性要求高的自动化精密测试分选及老化组装设备，对提高电池质量及推动行业发展意义重大 。3 结束语锂离子电池的发展是一个系统工程， 在国家“ 863” 、“ 973” 、“ 十一五 ” 动力电池 / 能源 / 材料重大专项规划和市场应用前景的双重推动下， 锂离子动力电池关键材料和新产品设计 、 市场开拓等方面取得了长足的进步，大大促进了我国锂电池产业迅速发展 。 随着我国动力锂电池市场需求规模的迅速增长和国内锂电池生产企业的技术改造和扩产计划的实施，为设备制造商打开市场空间的同时， 也提出了新的更高的要求 。 换句话说我国目前锂离子动力电池先进精密自动化关键生产工艺装备落后的局面不能尽快突破，将制约我国锂电池行业的发展 。借鉴发展我国重大电子信息装备制造行业成果经验，理顺消化吸收再创新等方面管理协调机制， 在国家相关部门设立重大技术专项加大资金支持， 期待在不长的时间内我国锂离子动力电池工艺装备研发制造水平会得到快速提高 。参考文献 ：[1] 王观成 . 军用通信电池技术进展 [J]. 电池工业 . 2007,趋势与展望25电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE（ 总第 178 期 ） Nov． 20092.2 伺服辨识系统的工作流程 (见图 10)1.151.11.0510.950.9 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18图 8 数字贴片机伺服系统阶跃响应曲线500-50-100-150Magnitude(dB)-720-1440-2180-3600Phase(deg)100 101 102 103Frequency(rad/sec)图 9 数字贴片机伺服系统开环波特图数字贴片机频域性能分析开始MATLAB 下组建数字贴片机， 设置仿真参数连接并设置信号输入模块和数据采集模块启动 MATLAB 引擎启动数字贴片机采集数字贴片机指令位移和实际位移数据从 MATLAB 工作间读取所采集到的辨识数据辨识数据预处理数字贴片机数学模型辨识数字贴片机时域性能分析图 10 基于数字贴片机的伺服辨识系统工作流程图3 结论基于数字贴片机的伺服辨识系统将计算机仿真与系统辨识手段相结合为提高伺服系统设计水平开辟了新的途径，与传统伺服系统设计方法相比， 具有如下优势： 能够在设计阶段为搭建贴片机伺服系统提供电机 、 导轨 、 丝杠 、 联轴器等的选型依据； 可以在设计阶段研究贴片机伺服系统各子系统的性能参数是否匹配； 可以在设计阶段研究如何合理配置贴片机的机械传动机构关键参数； 使得在设计阶段分析装配工艺对贴片机伺服系统性能的影响成为可能；使得在设计阶段分析 、 平衡贴片机运动速度与运动精度之间的关系成为可能 。参考文献 ：[1] 肖永山 ,宋福民 ,方强 . 基于协同仿真的贴片机动态性能研究 [D].MSC.Software 虚拟产品开发大会 2007 用户论文集 .[2] System Identification Toolbox. User’ s Guide [Z]. TheMathWorks,Inc,2002.[3] 方崇智 ,萧德云 .过程辨识 [M], 北京： 清华大学出版社 ,2003.12(6): 415-418.[2] 肖亚玲 ; 郝永超 ; 钱良国 . 动力锂电池系统集成关键技术和产品研究 [R]. 2009.[3] IFPST2008 中国国际电源产业发展高峰论坛报告 [Z].2008.[4] 毛国龙 . 锂离子动力电池的发展现状及应用前景 [J].中国电子商情 . 2009, (8): 14,18,20.[5] 赵东林 . 国内外锂离子动力电池极片制造专用设备的新进展 [J]. 新材料产业 . 2006, (9): 65-69.[6] 中国动力锂离子电池市场研究报告 2008 版 [R]， 2008.[7] ByoungwooKang,GerbrandCeder.Batterymaterialsforul-trafastcharginganddischarging[J].Nature.2009/3:190-193.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(上接第 5 页 )趋势与展望26