大圆柱锂电池工艺难点及解决方案！

汽车 2024-11-09 22:03 北京

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得益于大圆柱产业链上下游共同配合的进步，我国46系全极耳大圆柱电池的量产正由2021年的“试产瓶颈”向2023年的“量产瓶颈”突破转换，工艺瓶颈也逐渐转向为效率与良率进一步提升上。如何提升电池一致性、焊接优率以及生产良率等成为业内企业重点关注的题。

当前大圆柱电池生产效率及良率仍较低，虽然国内锂电池厂商已完成中试线或小批量生产，但实现高效率的量产仍具有以下工艺难点：1）全极耳成型：难点在于控制压平精度和力度，避免集流体受损或产生碎屑、粉尘等；2）集流盘焊接、极柱焊接方面：难点在于焊接精度的控制、熔深控制、压力控制要求较高，既要避免虚焊又要避免焊接穿孔；3）封口焊接方面：难点在于高速工况下基准面偏移，影响焊接精度等，主要痛点为焊接时镀镍层掉落导致壳体生锈；4）卷绕方面：主要痛点为切割、收卷、运输、卷饶的过程中极耳形态变化不可控风险，难点在于模切卷绕工序合并后激光控制＋精密自动化的集成控制，以及通过实时闭环控制提升极耳切割质量、卷绕对齐精度等；5）注液方面：由于大圆柱内部空间利用率更高，其内部应力更强，容易导致电解液浸润难、注液效率低等问题。

一、全极耳成型工艺难点及解决方案

大圆柱电池制造过程中，为避免电芯入壳时极耳对电池外壳的内侧壁造成刮伤，以及保障极耳与集流盘焊接效果，需进行全极耳成型处理。但由于大圆柱多采用全极耳工艺，其极耳数量多，对全极耳成型工艺要求高，主要有：1）全极耳成型时速度过快，极片容易外翻；2）全极耳成型过程若控制不佳容易产生粉尘；3）集流体结构临界应力值低，导致整形过程中造成集流体受损。

二、集流盘焊接工艺难点及解决方案

激光焊接技术是当前全极耳大圆柱电池的良率和生产效率的瓶颈，主要在集流盘焊接、极柱焊接、封口焊接。

集流盘与极耳焊接方面难点在于：1）边缘非涂层“留白”部分非常短，对焊接精度和温度的控制要求较高，技术上既要避免虚焊，又要避免焊接穿孔，同时还要避免焊接温度升高导致隔膜热缩或者飞溅击穿形成的电池短路；2）铜集流盘焊接工艺窗口窄的问题。

解决路径主要为：1）提升集流盘材料可焊性，如合理的厚薄设计、表面处理等；2）激光焊接技术的提升；3）激光焊接质量在线检测技术的提升。

三、极柱焊接工艺难点及解决方案

极柱激光焊接工艺难点主要为极柱较厚，需要较大能量穿透极柱，而集流盘较薄，导致焊接过程能量控制难度高，容易焊穿集流盘。解决方案主要有：1）对极柱做特定设计，如厚度控制和表面材料处理；2）激光能量控制和焊接精度的提升；3）激光焊接质量在线检测技术的提升。

四、封口焊接难点及解决方案

封口焊接的难点在于：在高速转动工况下，焊接精度的把控和焊接质量的把控；同时激光焊接易造成壳体镀镍层破坏，导致壳体生锈；而对于薄壁壳体，既要确保焊接强度，又必须保障电芯密封性能，对焊接精度的把控要求更高；与小圆柱电池不同，大圆柱电池壳体强度较低，电池内电解液更多，内压较高，对于端口的耐压性和稳定性都提出更高要求。

逸飞激光开发的封口焊接工艺，氦气也无法穿透，锂离子更无法泄露，确保电池安全。

封口焊接除了优化焊接工艺外，也可通过对电池材料，如壳体、电解液等进行材料的优化，降低电池内压或者提升壳体防锈能力，达到降低焊接不良和提升焊接效果稳定性的作用。

五、卷绕对齐度难点及解决方案

对比小圆柱电池而言，大圆柱电池直径近乎增加一倍，在极片卷绕方面，主要痛点为切割、收卷、运输、卷饶的过程中极耳形态变化不可控风险，难点在于模切卷绕工序合并后激光控制＋精密自动化的集成控制，以及通过实时闭环控制提升极耳切割质量、卷绕对齐精度等。

解决方案主要有：1）应用激光切卷一体化的生产方式来降低中转运输环节发生极耳形态变化风险；2）优化前端来料，使极片等原料误差缩小，降低卷绕生产不良；3）强化前端检测系统，对每个极片来料的厚度、极耳间距等进行实时监测，并反馈给后端卷绕机，使其对应进行精度调整，进而提升卷绕机对齐精度。

六、电解液浸润难点及解决方案

电解液浸润困难也是大圆柱生产工艺难点之一。对比小圆柱电池，由于大圆柱电池内部空间利用率更高，电池内部活性物质（正负极）含量增加，进而提升能量密度。但壳体内部空间更为紧凑导致电解液粘度更高，电解液的浸润性的大幅降低，加之圆柱电池自身的内膨胀挤压结构件内壁，会导致极片与电解液的实际有效接触减少，进而影响电池后续的循环与容量。

解决方案可通过：1）优化电解液配方；2）采用钟罩式腔体注液；3）适当增强真空压力并交替循环等多种方式提升电解液浸润效果、缩短浸润时长。

针对上述工艺难点，在全极耳成型、集流盘焊接、极柱焊接、切卷、注液等方面，国内厂商正在不断加大技术储备。

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