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笔记本续航都靠它!解析18650电芯生产过程

天极网笔记本频道2014-11-30 06:00我要吐槽

  不论是笔记本还是移动电源,他们的能量源头都是一个叫做18650电芯的神秘电池,它就是通情况下我们说的锂电池,目前18650电芯是数码领域使用量最多的电池。其最突出的优点是能量密度高,适用于非常注重体积、便携的数码产品。同时,相对于以往的干电池,锂离子电池可以循环利用,在环保方面也有优势。锂离子电池的正负极材料都可以吸收、释放锂离子。但是锂离子在正极和负极中的化学势能有所不同。

  负极中的锂离子化学势能高,正极中的锂离子化学势能低。锂离子放电时,负极中存储的锂离子释放出来,被正极所吸收。由于负极中锂离子的化学势能高于正极,这部分势能差就以电能的形式释放出来。充电过程则是上述过程的逆转,将正极中的锂离子释放到负极中。由于这种锂离子在正负极中的来回迁移,锂离子电池又被称为摇椅电池。

  18650是目前最常见的锂电封装方式,无论是当下最流行的三元材料,还是国家力推的磷酸铁锂,以及尚未普及的钛酸锂,均有18650的规格。18650型电芯,采用Cylindrical圆柱形封装方式,这种电芯直径18mm,长度65mm,广泛应用于充电宝、电动车、笔记本、强光手电筒等领域,这类封装的好处是规格统一,方便自动化、规模化生产,具有机械强度高、耐冲击性强、良品率高等特点;此外还有Prismatic方形软包封装,常见于手机平板电脑,这类封装最直接的好处是轻薄,体积小,便携。

  在笔记本电脑时代,18650电芯还只是数码产品的幕后英雄。随着智能手机和平板智能设备的普及,移动电源成为了人们出行必不可少的装备,18650也得以开始从幕后走向前台,被大众所熟知。那么,看似简单的18650电芯是如何诞生?它有什么秘密呢?接下来,让我们一起去探索它的诞生过程。近日笔者有幸进入东莞一家电芯厂拜访学习,将从涂布、组装、测试三方面图文并茂,为大家介绍18650电芯的诞生过程。

  电芯的生产过程一:涂布

  进入生产车间之前,需要戴上口罩和鞋套,避免吸入粉尘和产生静电。首先从涂布工艺了解起,这道工序中可以看到大卷的铜箔(黄色)和铝箔(银色)。铝箔,是用来涂布镍钴锰NCM三元材料;反之,铜箔是用来涂布负极活性材料石墨;其中白色的为隔膜。全球锂电池隔膜主要被Asahi、Celgard、SK、toray、W-SCOP等厂商占据,这些国外企业把持了近70%的市场份额。而中国隔膜企业所占的市场份额约30%,锂电池隔膜自主国产化正在不断突破。电芯的容量,是根据这些配方的调配比例面积得来。

  一整卷涂布完成的正负极材料宽约126mm,接下来还需要裁剪成宽度约18mm的7小卷,每卷都会均匀分成若干段,每一段代表一颗电芯所需的用料。据电芯厂工程师徐工介绍,目前三元正极材料每吨售价为12万元,每吨材料可以用于生产5万只电芯;当前电芯产能日均50万只,需要用到10吨三元正极材料,光这一项开支每日就需要60万元。

  自动化的机器将每段打上镍带和绝缘耐高温的麦拉片(Mylar),下一步进行5个级别的称重,分别是偏重、A1、A2、A3、偏轻。这个跟CPU晶圆挑选一样,同一批切割工艺,也会出现不同体质,根据不同体质再分出对应容量,配对出货。

  电芯的生产过程二:组装

  这家电芯厂分为三栋楼,其中一栋三层是生产线,另外两栋是办公室和宿舍。生产线一楼涂布、二楼组装、三楼测试。参观完一楼后,进入二楼的组装环节。

  分类好的正极和负极,将在这里完成全自动卷包,白色的材质是隔膜。电芯这样还不能正常工作,需要加入电解液作为媒介,让正负极发生化学反应,锂离子才能够在正负极之间迁移,产生电荷离子输出能量锂电池才能进行充放电。自动化卷包好后直接滚落在了流水线上,进入下一个组装步骤装入钢壳。

  钢壳是一体冲压成型,厚度不足1mm,因此对钢材强度质量要求很高,这家电芯厂选用的是进口韩钢材料。

  这一步将负极极耳与钢壳底部通过点焊的方式连接。该厂采用了日系Miyachi激光点焊机,确保了点焊精度和产品质量。点焊机无法焊接钢壳底部,组装小妹的手中有一个铜钉,先从预留的小洞插入底部,然后放入点焊机,咔嚓一下,负极就打好镍带与钢壳底部连接好了。

  电解液在密封箱充满惰性气体氩气的手套箱中内注入,密封箱手套内氧气浓度必须低于10ppm(接近无氧真空环境),防止电极氧化。电解液氩气通过循环净化装置输入密封箱, 装置里头有催化剂和还原剂氢气,通过氢氧反应生成水可以把氧气除去。同时,装置中的干燥剂吸收水分,保证箱内气氛的干燥。

  注入电解液后的电芯,已经通过激光焊接将盖帽与钢壳连为一体。一排排整齐有序的堆放着,整装待发。

  一只新的电芯就这样诞生了。每一只电芯都需要穿上按容量分类的“新衣服”PVC套管。

  不同的容量对应了不同的PVC封套,这里我们看到了绿、蓝、粉等多个色,丰富的外观颜色增添了电芯时尚感。

  电芯的生产过程三:首次充电和测试

  电芯在注入电解液后,实际上还没有存上电,而且此时正负极表面的状态也没有达到稳定,必须通过首次充电才能够正常使用,这种首次充电称之为“化成”。首次充电时需要充入额外的电量,用来在电极表面产生保护膜,这层保护膜正是锂离子电池低自放电的奥秘所在。同时,保护膜的性质也影响电池的性能和寿命。因此,化成工艺十分重要。化成采用分容柜完成。

  电芯是化学品,为了保障使用安全和寿命,在出厂前需要做好配对按盒分装,每盒200只。确保三个一致性:容量一致、内阻一致、电压一致。如此方能正常出厂,否则把被打入冷宫,沦为B级、C级电芯。

  第一个测试,容量。为了确保容量测试的准确性,该厂采购了行业领先的贝尔全自动分容柜,满足每日上万只的分容需求。新诞生的电芯,需要做5个循环老化测试,把不能工作或者容量有偏差的挑选出来。依据国家标准GB/T18287-2013《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》,按照0.2C充放电测试。以合适的电流充电至4.20V截止(高压版本需要充到4.30V或4.35V),静置一段时间(15min以上)使电池温度接近室温且电池内极化基本消散。测试采用0.2C放电至2.75V终止电压,达到所标注的容量,才算合格。这里的C是一个倍率单位,以2600mAh电芯放电为例,0.2C则为520mA放电。

  第二个测试,内阻。现在电芯厂都配有内阻自动筛选机器,可流水线筛选。18650三元材料,内阻在70毫欧以内,都算合格品;低于30毫欧的算是特挑极品了。如果是磷酸铁锂或者钛酸锂,内阻能做到20毫欧以内。

  第三个测试,电压。同一装箱里面的电芯电压3.7V±0.05,方便多节并联或者串联使用下,整箱抽出使用。每一箱的电芯都做过三个一致性配对,因此不推荐跨箱使用,这也是国际上通用的方法。

  除了一致性测试,每一个批次的电芯还需要抽查完成撞击、震动、穿刺等数十项破坏性测试,杜绝隐患,确保每一个批次品质最佳。

  在此次工厂拜访学习即将结束时,为了能近距离的了解电芯的安全结构,笔者将剖析一支全新的18650电芯,一探内部究竟。18650电芯在内部硬件设计有两重保护,分别是CID(Current Interrupt Device)泄压安全阀和PTC(Positive Temperature Coefficient)热敏电阻。其中安全阀是每一颗18650电芯的标配,也是最重要的一道防爆屏障,没有之一。

  CID和PTC的工作原理:当电芯内部温度异常,由于过充电、短路等原因产生大量气体,气压升高到1.0-1.2Mpa时,安全阀上的碗型铝片会向上弹起,与下面的铝片脱离接触,使电路立即断开,若是压力继续上升,安全阀将破裂,开启排除内部气体使内部压力释放出来,避免压力过高造成爆炸。而Prismatic方形软包封装的电芯,内部气压升高时,最常见的是“怀孕”鼓包现象。其次PTC热敏电阻,当电池输入输出电流过高时,PTC会发热升温,当温度达到预设值时,PTC电阻会突然增大,切断外界电流输入电芯或阻止电芯内部电流输出,让电芯停止工作。除了以上两者外,电池还有不为人知的第三道防线——隔膜。当电池升温到160摄氏度以上时,隔膜中的微孔会闭合,使正负极被物理隔离,电池自然不会再输出电流。

  既然18650电芯本身是如此安全,为何移动电源起火事故依然不算罕见呢?奥秘就在移动电源本身。移动电源的外壳等组件往往常用到塑料。塑料本身是易燃物,遇到高温可以自燃。合格移动电源的USB输出有短路保护,所以当输出被短路时不会有大电流通过。但是移动电源内部还有从18650到电路板的镍片或者导线等连接。若是这部分不幸短路了,那么输出短路保护是完全无能为力的。而18650电芯本身的PTC只是在电池本身过热之前能够切断电池的电流,由于电池的热容量很可观,升温没有那么快,或许在导线、镍片都烧红的情况下,电池还没有热到切断输出。这样烧红的镍片和外壳的塑料接触,发生火灾也就在所难免了。

  合格的移动电源往往对18650到电路板的导体进行多重绝缘,且所用的绝缘体是耐高温300度的高温聚酰亚胺胶带(麦拉片)和阻燃的青稞纸。同时这段导体有适当的固定设计,防止机械冲击下导体移动或变形。从而最大限度的保证短路不会发生。但是山寨移动电源就随意的多,要么没有绝缘,要么就是绝缘不充分。特别是18650头部,由于此处有裸露的负极和绝缘外皮包裹的负极。同时正极镍片也经过这里,若是不额外增加绝缘保护,正极镍片边缘一旦划破外皮,就会立即造成短路。而山寨移动电源往往内部电池固定不好,电池晃来晃去,镍片也弯来弯去的,这种概率更大了。

  到此,一只18650电芯的诞生过程介绍完毕,随着工厂门口等待装箱的货车,他们将运往全国各地。即将开启一段新的奇幻之旅,化作充电宝来到你的手中。

作者:唐浩责任编辑:唐浩)
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