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寧德時代:超級電池誕生記
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作為新一代(dai)國(guo)之重器
鋰離子(zi)動力電池
以寧德時代(dai)為代(dai)表
早在去年,就登上了央視的舞臺
《大國重器》第二(er)季(ji)
詳(xiang)細介(jie)紹了寧德時代的電池生(sheng)產線(xian)
對此(ci)還不太了解(jie)的(de)朋友
今天(tian)我(wo)們一起學習下
第一(yi)部(bu)分(fen):電(dian)芯誕生(sheng)記
首(shou)先(xian),讓(rang)我們(men)看一(yi)下電芯的(de)生產(chan)產(chan)線。這(zhe)是國內首(shou)條、國際一(yi)流(liu)的(de)自(zi)動化(hua)產(chan)線,寶馬X1和新5系的電芯(xin)就是(shi)在這里誕生的哦。
所有進(jin)入車間的人員都(dou)必須穿潔凈服(fu),戴帽子、口(kou)罩(zhao),完畢后,需要經過噴淋間360度(du)無(wu)死角除塵
控溫、控濕、無塵的工廠(chang),可媲美半導體微電(dian)子的制造環境
忙(mang)碌的RGV,按(an)照設定的軌道,自動搬(ban)運(yun)材料和為設備上下物料
孤獨(du)的機械(xie)手(shou)自(zi)動拆(chai)盤碼盤
有了高(gao)科技機器人(ren)、中控系統、在線(xian)檢測設備和信息追溯系統的(de)助攻,catl的(de)產線可實現“生產(chan)數據(ju)可視化”、“生產(chan)過程透明(ming)化”、“生產現(xian)場(chang)無人化(hua)”。
電(dian)芯(Cell)是(shi)一個電(dian)池系統的最小(xiao)單元。M個電芯組(zu)(zu)成一個模組(zu)(zu)(Module),N個(ge)(ge)模組組成一個(ge)(ge)電(dian)池包(Pack),這是車用動力電池的基本結構。電池就像一個儲(chu)存電能(neng)的容(rong)器,能(neng)儲(chu)存多少的容(rong)量,是靠正極片和負(fu)極片的所負(fu)載活性物質多少來(lai)決定的。
極(ji)片主要是由
攪拌、涂(tu)布、冷壓
三道(dao)工序完成
攪拌
攪拌就是將(jiang)正、負(fu)極固態電(dian)池材(cai)料混合均勻(yun)后(hou)加入溶劑(ji),通過(guo)真空(kong)攪(jiao)拌機攪(jiao)拌形成(cheng)均勻(yun)漿狀(zhuang)。
涂布
拌好的活性材(cai)料以每分(fen)鐘(zhong)80米的速度被(bei)均勻涂覆到4000米(mi)長的銅箔上(shang)下面。涂布(bu)前的銅箔薄(bo)如(ru)蟬翼,只有6微米(mi)厚。涂布至關重要(yao)(yao),需(xu)要(yao)(yao)保證極片(pian)(pian)厚度和重量一致,否則會影響(xiang)電池的(de)一致性。涂布還必須確保沒有顆粒、雜(za)物、粉塵等混入極片(pian)(pian)。否則,導致電池自放電過快甚(shen)至安全隱(yin)患。
冷(leng)壓(ya)和預分切
輥壓(ya)裝置將涂布后的(de)極片(pian)壓(ya)實到(dao)預定的(de)厚度和密度。
極(ji)耳模(mo)切和分(fen)條
在這里,用模(mo)切機(ji)模(mo)切形(xing)成電(dian)(dian)(dian)芯的導電(dian)(dian)(dian)極耳(er)(er)。極耳(er)(er)是電(dian)(dian)(dian)池(chi)頭上(shang)耳(er)(er)朵,通俗(su)地說就是電(dian)(dian)(dian)池(chi)正負極的耳(er)(er)朵在進行充放電(dian)(dian)(dian)時的連接(jie)點。然后,通過切(qie)刀對極片進行(xing)分(fen)切(qie)。
卷繞
電芯的(de)正極(ji)片(pian)、負極(ji)片(pian)、隔離(li)膜以卷(juan)繞的(de)方式組合形成裸電芯。先(xian)進的(de)CCD可實現自動(dong)檢測(ce)及自動(dong)糾偏,確保電芯極(ji)片(pian)不錯(cuo)位。
裝配(pei)
卷繞好的裸電芯(xin)將被自動分選配(pei)對,之后再經過極(ji)耳(er)焊接、折極(ji)耳(er)、裝配(pei)頂支架、熱熔Mylar、入殼(ke)、殼(ke)體(ti)焊接等(deng)工序。至此,裸電(dian)芯(xin)就擁有了堅硬(ying)的外殼(ke)。
烘培(pei)和注液
電池(chi)烘烤工序是為了(le)使(shi)電池(chi)內部(bu)水分達標,確保(bao)電池(chi)在整個壽命周期內具(ju)有良(liang)好(hao)的性能。注液,就是往烘(hong)焙后(hou)的(de)電(dian)芯(xin)(xin)內注入電(dian)解(jie)液。電(dian)解(jie)液就像(xiang)電(dian)芯(xin)(xin)身體里(li)流動(dong)的(de)血液,能量的(de)交換就是帶電(dian)離(li)子的(de)交換。這些帶電(dian)離(li)子從電(dian)解(jie)液中運輸過(guo)去,到(dao)達另一電(dian)極(ji),完成(cheng)充放電(dian)過(guo)程。
化成
化(hua)成是對注液(ye)后的電芯進行激活的過(guo)程(cheng),通過(guo)充放電使電芯內部發生化(hua)學反應形成SEI膜,保證(zheng)后(hou)續電芯(xin)在充放電循環過程中的安全、可靠和長循環壽命。
為了電芯擁有(you)良好性能,電芯制造(zao)過(guo)程中還要經過(guo)X-ray檢測、焊接質(zhi)量檢測,絕緣檢測、容(rong)量測試等(deng)一系列“體檢過程”。
制(zhi)(zhi)造好(hao)后的(de)(de)每一個(ge)電芯單體(ti)都(dou)具(ju)有(you)一個(ge)單獨的(de)(de)二(er)維碼,記(ji)錄著制(zhi)(zhi)造日期(qi),制(zhi)(zhi)造環境(jing),性(xing)能(neng)參數等等。強大(da)的(de)(de)追溯系統可以將任何信息記(ji)錄在案。如果出現異常(chang),可以隨(sui)時調(diao)取生(sheng)產(chan)信息;同時,這些大(da)數據可以針(zhen)對性(xing)地對后續改良(liang)設(she)計做(zuo)出數據支持(chi)。
第(di)二部分:模組變形記
單個的(de)電(dian)(dian)芯(xin)是不能使(shi)用的(de),只有將眾多電(dian)(dian)芯(xin)組(zu)合在(zai)一起(qi),再加上保(bao)護(hu)電(dian)(dian)路和(he)保(bao)護(hu)殼,才能直接使(shi)用。這就是所謂的(de)電(dian)(dian)池模組(zu)。
電池模組(module)是(shi)由眾多(duo)電(dian)(dian)芯組(zu)成的。需要通過嚴格篩選,將一致性好的電(dian)(dian)芯按照精密設計組(zu)裝(zhuang)(zhuang)成為模塊化的電(dian)(dian)池(chi)模組(zu),并加裝(zhuang)(zhuang)單(dan)體電(dian)(dian)池(chi)監控與管理裝(zhuang)(zhuang)置。CATL的模組全自動化生產產線,全程由十(shi)幾個精密機(ji)械手協(xie)作完成。另(ling)外,每一個模組都有自己固定的識(shi)別碼(ma),出現問題(ti)可以實(shi)現全過程的追溯。
從(cong)簡單的(de)一顆電芯到電池包的(de)生產(chan)過(guo)程(cheng)也是(shi)相(xiang)當復雜,需要多(duo)道工序(xu),一點不(bu)比電芯的(de)制造(zao)過(guo)程(cheng)簡單。
上(shang)料(liao)
將電芯傳(chuan)送(song)到指(zhi)定位(wei)置,機(ji)械手(shou)自(zi)動抓取送(song)入模(mo)組裝配線。在寧德時代的車間內從自動搬運(yun)材料(liao)到為設(she)備(bei)喂料(liao)100%實現了自動化。
給電芯洗個澡---等離子清洗
對每個電芯(xin)表面進行清洗(CATL寧德時(shi)代采(cai)用(yong)的(de)是等離子處理(li)技術保證清(qing)潔度)。這里采(cai)用(yong)離子清(qing)潔,保證在(zai)過(guo)程中的(de)污染物不附著在(zai)電芯底部。
為什么(me)要(yao)采用等(deng)離(li)子(zi)清洗(xi)技術?原(yuan)因(yin)在于,等(deng)離(li)子(zi)清洗(xi)技術是清洗(xi)方法中最(zui)為徹底的剝離(li)式清洗(xi)方式,其最(zui)大(da)優勢在于清洗(xi)后無廢(fei)液,最(zui)大(da)特(te)點是對金屬(shu)、半(ban)導體(ti)、氧(yang)化物和(he)大(da)多(duo)數高分子(zi)材料等(deng)都(dou)能很好地處理,可實現(xian)整體(ti)和(he)局部以及復雜結構的清洗(xi)。
將電(dian)芯組裝起來(lai)---電(dian)芯(xin)涂膠(jiao)
電芯組(zu)裝前,需要(yao)表面涂膠。涂膠的(de)作用(yong)(yong)除了固定(ding)作用(yong)(yong)之外,還能起到絕緣的(de)目的(de)。
CATL寧德時(shi)代采(cai)用國際(ji)上最先(xian)進的(de)高精(jing)度的(de)涂膠(jiao)(jiao)設(she)備(bei)以(yi)及(ji)機(ji)械手協作,可(ke)以(yi)以(yi)設(she)定軌跡涂膠(jiao)(jiao),同時(shi)實時(shi)監(jian)控涂膠(jiao)(jiao)質量,確保涂膠(jiao)(jiao)品質,進一(yi)步提升了每組不同電(dian)池模(mo)組的(de)一(yi)致性。
給電(dian)芯建(jian)個家---端(duan)板與側板的(de)焊(han)接(jie)
電池模(mo)組(zu)多采用鋁制(zhi)端板(ban)和側板(ban)焊接而成,待(dai)設備在線監測到(dao)組(zu)件(jian)裝配參數(shu)(如長度(du)/壓(ya)力等)OK后,啟動焊接(jie)機器人,對端/側板完成焊(han)接,及焊(han)接質(zhi)量100%在線檢測以(yi)確(que)保質量,以(yi)及(ji)100%在(zai)線監測焊接質量。
線束隔離板裝配
焊接(jie)監(jian)測系統準確定(ding)位(wei)焊接(jie)位(wei)置后,綁定(ding)線束隔(ge)離板物料條碼至(zhi)MES生產調度管理系(xi)統,生成單獨的編(bian)碼以便追溯(su)。打碼后通(tong)過(guo)機械手將線(xian)束隔離板自動(dong)裝入(ru)模組。
完成電(dian)池的串并聯---激光焊接(jie)
通過自動激(ji)光焊接,完成極柱與連(lian)接片的連(lian)接,實現電池串并(bing)聯。
下線前的重要(yao)一(yi)關---下(xia)線(xian)測試
下線前對(dui)模組全性能檢查,包括模組電壓/電阻、電池單體(ti)電壓、耐壓測試(shi)、絕緣(yuan)電阻測試(shi)。標準化(hua)(hua)的(de)模組設計(ji)原理(li)可以定制化(hua)(hua)匹配不同(tong)車型,每個(ge)模塊還能(neng)夠安裝在車內最佳適合空間和預(yu)定。
第三部(bu)分:電(dian)池歷險(xian)記
在重裝上陣前,電池組還(huan)需(xu)經歷(li)"九(jiu)九(jiu)八(ba)十一(yi)難(nan)"才(cai)能修(xiu)成正(zheng)果。在(zai)寧德時代(dai),這些極端,苛刻的實(shi)驗(yan)包(bao)括挑戰(zhan)高(gao)(gao)溫(wen)火燒、擠壓(ya)、沖擊(ji)、振動、海水浸泡、高(gao)(gao)低溫(wen)沖擊(ji)等(deng),可多(duo)達230項。在寧德時代,只(zhi)有成功通(tong)過層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)磨煉(lian)的電池(chi)產(chan)品,才(cai)能被放(fang)行使(shi)用。
火燒測試
在高溫(wen)油氣煙(yan)火下,鉛、鋅等金屬材料早已熔化。但是,電池(chi)組卻要(yao)在這(zhe)樣的高溫(wen)下進行“生存”挑戰。在(zai)這項(xiang)極端(duan)且具有危險性的測試中,行業的國家標準是外部(bu)火燒(shao)130秒,電池不起火(huo)、不爆炸。但在CATL,一切有著最高的要(yao)求(qiu)。國家標準要(yao)求(qiu)外部燃燒(shao)后不起火(huo)不爆炸,CATL則挑戰做到了外部(bu)火燒130秒(miao)后,電池依然可以正常(chang)工作;國家標準外部燃(ran)燒時間要求為(wei)130秒(miao)即可,CATL甚至研究(jiu)了(le)連續燃(ran)燒1小時(shi)后,電(dian)池依然沒(mei)有爆炸危險。而在(zai)這(zhe)樣的情況下,即使(shi)是熔點為660℃的鋁材,也(ye)早(zao)熔化成(cheng)了液體。
通過(guo)這(zhe)樣嚴苛的火燒試驗,即使遇上火災或車輛燃燒,也不會(hui)出現電池(chi)爆炸的危險,避(bi)免(mian)出現二次傷害。
振(zhen)動測試
顛(dian)簸路面對電(dian)池(chi)產生的振動(dong),可能會(hui)引(yin)發(fa)質量不過關的電(dian)池(chi)產品固(gu)定不良,零部件松動(dong),外殼(ke)破裂(lie)最后引(yin)發(fa)安全失效的情況。為此,國(guo)家標準要求對動(dong)力(li)電(dian)池(chi)進行振動(dong)測試。
振動臺(tai)用(yong)(yong)來模(mo)擬(ni)電(dian)池包在實(shi)際使用(yong)(yong)中會(hui)遇到的顛簸路況,環境(jing)箱用(yong)(yong)來提(ti)供(gong)不(bu)同的溫(wen)度環境(jing),充放電(dian)機則用(yong)(yong)以(yi)提(ti)供(gong)充放電(dian)的實(shi)際工作(zuo)情況。這三部分組成了帶溫(wen)度帶負載的振動測(ce)試系統,真(zhen)實(shi)模(mo)擬(ni)了實(shi)車使用(yong)(yong)時的情景(jing)。
這是寧德(de)時代的一座(zuo)推力20噸的振(zhen)動臺,用(yong)來模擬(ni)電池包在(zai)(zai)實際(ji)使用(yong)中(zhong)會遇到的顛簸路況,但其振(zhen)動強烈程度更甚(shen)于(yu)實際(ji)路況。在(zai)(zai)試驗中(zhong),電池包一秒(miao)鐘(zhong)要被振(zhen)動200下(xia),而電芯模組(zu)則要被振動2000下(xia)。蜜蜂的翅膀每(mei)秒鐘振動400下,我們(men)就可以聽到(dao)“嗡嗡”的聲音,每秒振動2000下的(de)電芯模組所發出的(de)聲音是非常尖銳刺耳的(de)。
在寧(ning)德時(shi)(shi)代,這樣的(de)振動承受挑戰算的(de)不是分秒,而是小時(shi)(shi)。在這里(li),電池(chi)包(bao)需在-30℃至60℃的環境條件下(xia),電(dian)池包連續隨機振動21小時,這樣可等效模(mo)擬(ni)數十萬公里的(de)行(xing)車疲勞(lao)情況。
加速度沖擊測試
與振動試(shi)(shi)驗(yan)類(lei)似,沖擊測試(shi)(shi)用以(yi)測試(shi)(shi)電(dian)池(chi)包(bao)(bao)的機(ji)械結構(gou)穩(wen)定,其(qi)模擬車輛通過路障時,瞬間顛簸對電(dian)池(chi)包(bao)(bao)結構(gou)的沖擊。
在寧(ning)德時代的沖擊測試中,最高(gao)加速度可高(gao)達100G。100G加速(su)度(du)如何理解?載(zai)人航天飛(fei)行(xing)器(qi)的向(xiang)心加速(su)度(du)最高可達15G。一輛電(dian)動大巴(ba)被時速為50公(gong)里的(de)(de)小車撞擊時,電池包(bao)所(suo)受到的(de)(de)加速度約為30G。一般(ban)人的心臟(zang)承受的最大加速度為50G。而目前(qian)有記錄的,人體(ti)能(neng)承受的加(jia)速度極(ji)限約為40G。但(dan)在如此(ci)強烈的加速度(du)沖擊下(xia),電池包依然(ran)運行(xing)正常(chang)。
擠壓測試
擠壓測試用(yong)于模擬電(dian)池(chi)在(zai)(zai)交通(tong)事故時受到擠壓的情況(kuang)。電(dian)池(chi)受到擠壓時在(zai)(zai)結(jie)構(gou)上可能由外至內被(bei)破壞(huai),出現高(gao)壓短路,電(dian)芯被(bei)內部零部件(jian)刺破漏液,造(zao)成熱失控(kong),進而引起起火或爆炸(zha)。
在寧(ning)德(de)時代的(de)擠壓(ya)試驗中,施(shi)加給電池包的(de)力(li)是10噸。一輛(liang)2噸的車,以(yi)90km/h的速(su)度行駛撞擊(ji),其撞擊(ji)力(li)剛好(hao)是10噸。
從(cong)圖中可以看到,在10噸外(wai)部力(li)量的(de)(de)(de)擠(ji)壓下(xia),復合(he)鋁材質(zhi)的(de)(de)(de)電(dian)池包(bao)外(wai)殼(ke)已出現了明顯(xian)的(de)(de)(de)變形,但電(dian)池包(bao)整(zheng)體結構完整(zheng)。對于(yu)擠(ji)壓測試的(de)(de)(de)通過標準一般是不起火、不爆炸。而寧德時(shi)代的(de)(de)(de)電(dian)池產品,甚至可以在擠(ji)壓變形的(de)(de)(de)情況下(xia),繼續正常工作。
【結(jie)束語(yu)】
自此,經過(guo)數(shu)不(bu)清的(de)復雜(za)加工(gong)工(gong)藝和檢測(ce)測(ce)試流程(cheng),一塊印有CATL標志的(de)(de)(de)成品車用(yong)電池(chi)單元終于誕(dan)生了。但即使(shi)如(ru)此,寧德時代對于質量(liang)(liang)的(de)(de)(de)把控(kong)還遠沒有結束。為了把控(kong)在(zai)日常(chang)使(shi)用(yong)時的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)和品質,所(suo)有的(de)(de)(de)成品電池(chi)和電芯都有自己獨一無二的(de)(de)(de)編(bian)碼(ma),如(ru)果未來某(mou)塊(kuai)電池(chi)甚(shen)至某(mou)顆電芯出現故(gu)障(zhang),可以追溯(su)到關(guan)聯(lian)生產線甚(shen)至關(guan)聯(lian)原(yuan)料。