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锂电池叠片技术总览

文章来源:PNAS普纳斯能源官网 人气:408 发表时间:2023-12-14 14:03:17
目前锂离子电池的叠片技术路线主要分为4类:切叠一体、Z字型叠片、热复合叠片和卷叠一体。其中Z字型叠片和切叠一体本质均为Z字型叠片,也是国内应用较为广泛的叠片工艺;热复合叠片最大的特点为实现正极、负极和隔...
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目前锂离子电池的叠片技术路线主要分为4类:切叠一体、Z字型叠片、热复合叠片和卷叠一体。其中Z字型叠片和切叠一体本质均为Z字型叠片,也是国内应用较为广泛的叠片工艺;热复合叠片最大的特点为实现正极、负极和隔膜一次性完全切片堆叠,有效提高了叠片及电芯的质量和生产速率,相对而言技术难度更高。


一、切叠一体技术


切叠一体技术本质上依旧为Z型叠片技术,作为Z型叠片技术的一种改良,逐渐成为发展趋势,其优点在于提升良率和叠片效率。1、提升良率:电池在不同工序转运过程中容易发生损伤,将多个环节集中到一台设备上,就能够在工艺流程上减少电池损伤的可能性。过去传统的生产方式为叠片机从料盒中取切片进行叠片。取片过程中可能会发生磕碰和极耳翻折,而切叠一体机将极片模切/激光切、Z 字型叠片机、贴胶热压机三类机型进行整合,解决了折弯和吸片的问题,通过减少上下料、转运工序,减少磕碰、提高良率。2、提升叠片效率:切叠一体机将正负极片和隔膜同时收放,在主叠片台或摆杆作用下,呈Z字型折叠,当叠放至设定片数后,隔膜裁切贴胶,再热压成电芯,如先导智能最高叠片效率达800PPM(0.075s/pcs),利元亨高速切叠一体机的叠片速度达 0.15s/pcs(三工位)。


二、Z字型叠片技术


Z型叠片技术是目前较为常见的一种叠片工艺,通过可移动叠片台拉动隔膜在叠片平台之间来回移动,实现正极极片和负极极片的交叉堆叠。
Z 型叠片技术的问题在于隔膜容易变形且堆叠效率不高。1、隔膜容易变形:Z 型叠片技术隔膜会随可移动叠片台左右摆动,隔膜摆轴容易造成不对称,导致隔膜变形不一致;隔膜张力每次从零到最大,导致隔膜拉伸不一致、变形,同时隔膜的孔隙率、平均孔径、比表面积都会有较大的变化,影响电芯质量。2、堆叠效率不高:在叠片过程中,需要摆动隔膜来叠放极片、避让隔膜交替进行,增加了单次叠片所需要的时间,同时只能实现单片堆叠,叠片效率很难有大的提升,一般为 0.5s/pcs/工位,若电池极片层数为30 层,则完成一个电池的时间为 15 秒,则一分钟内能完成 4 个电池,即效率仅有 4PPM。


三、热复合叠片技术


热复合叠片机的工作原理为正极卷料、负极卷料、隔膜同时进料,在进入加热装置前,正极片、负极片通过切刀裁切成所需尺寸的单个极片,正极片、负极片、隔膜的组合体在辊轮的作用下进入加热系统。加热后再进行热辊压、切刀,将隔膜切断,形成单个的叠片单元,然后通过机械装置将单个叠片单元堆叠在一起,之后再对叠片堆进行热平压,形成极芯。热复合一体机的隔膜为涂胶隔膜,受热有粘性。烘烤后的正负极片与隔膜热复合,随后经辊压,裁切成复合单元。然后有机械手将其转移至叠片台进行叠片。叠完后热压,再进行贴胶。


热复合叠片机极片和隔膜同时收放,能够避免 Z 字型叠片隔膜变形等问题。热复合叠片工艺中,隔膜和极片所受的拉力方向始终不变、速度保持均匀,相对于卷绕工艺过程中拉力不断变化、Z型叠片的拉力周期性变化和摆动,热复合式叠片机在生产过程中连续单方向输送、速度和张力控制稳定,生产的极芯界面平整,隔膜的机械性能、孔隙率、平均孔径、极片与隔膜界面等均匀一致,电芯质量更高。热复合叠片技术难度比Z 型叠片更高,适合高能量密度大电芯。热复合叠片机比Z型叠片多热复合和辊压等工序,技术难度更高,后期注液等工序难度更大;热复合叠片机同时集成制片、叠片、热压一体,高效节能、省空间,更适用于高能量密度大电芯。


四、卷叠一体技术


LG 享有 Stack & Folding 专利,不对外出售,设备商为德国 MANZ,其工艺流程一般是先将正负极片裁切成单元,并通过对转台与升降吸盘的设置,分别贴在隔膜上;然后用卷绕的方式将极片分别包裹起来,实现两组正负极片相间叠放,速度和效率较高。


根据 LG 新能源官网,LG 的 Stack & Folding 专利将一片正极、一片负极和一片隔膜堆叠组成 Bi-cell 后,再将多个 Bi-cell 折叠组成一个电池。在正负极片之间 LG 新能源还利用其专有的 SRS(Safety Reinforced Separator)隔膜,该技术是在隔膜上涂覆陶瓷并加热来增加机械强度,从而防止内部短路,大大提高了电池安全性和性能。

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