锂电池制造过程中的质量控制难题

Introduction

国际能源署近期的一份报告显示，2020 年欧洲电动汽车注册量达到 140 万辆，占全部新车销量的10 %。在中国和美国，这一占比分别为 6 %和 2 %。驱动电动汽车发展的力量是锂离子电池技术，解决锂离子电池三个制造阶段中的质量控制难题则显得尤为重要。

为确保电动汽车用锂离子电池符合性能和安全要求，电池制造流程必须满足严苛的精密性阈值，并采用与高通量自动化生产线要求相一致的质量控制分析。为可工作状态下的电池执行性能测试往往需要耗费长达数天的时间，因此生产过程中的质量控制至关重要。


解决质量控制难题

锂离子电池有三个制造阶段，每个阶段又包含多个步骤。每一个制造步骤都丝毫马虎不得。例如，电极膜厚度的标准公差只有±2 μm。为满足这种细微的公差要求，电动汽车锂离子电池的生产线高度自动化。为评估质量并满足精密性要求，生产线上配置有一系列的分析仪器，生产完成后，还会再执行多种测量。

赛多利斯工业应用经理Junkichi Azuma称，生产线上的这些工具不仅要足够精确，而且为适应生产线的高速生产特点，还必须具备高响应性和稳定性。和制造流程一样，这些系统也高度自动化，可在制造阶段识别质量缺陷并提供响应性控制措施。
 

电动汽车中的每个电池组都由数百个电化学电池连接组成

第1阶段 准备电极

锂离子电池生产的首个阶段是准备电极，即阳极和阴极。阳极和阴极组件的浆液分开混合。阳极浆液一般包含作为阳极材料的石墨、高分子粘合剂、其它添加剂和作为溶剂的纯化水。在电动汽车锂离子电池中，阴极浆液一般包括由镍、钴和锰（NMC）组成的层状氧化物材料。

涂布步骤完成后，使用热梯度干燥薄膜，之后这些片材在压延流程中通过重型辊子。这个步骤会对干燥的薄膜进行压缩处理，以优化活性电极的孔隙率。随后，这些片材将在真空干燥室内进行数小时的干燥处理，将剩余的水分蒸发掉。在典型的生产线中，这一处理流程的速度可达每分钟 50 米。

在该过程中会涉及两项重要操作：光学检查和水分分析



质量控制：光学检查

视觉检查是主要的电极质量控制方法。由于电极组装的速度过快，无法开展人工检查。“*常见的方法是使用摄像头系统和线路检测装置实施视觉检测。” 德国亚琛工业大学电动交通组件生产工程设计主席Marc Locke说。



质量控制：水分分析

水分是锂离子电池的一个严重威胁。主要问题是水会与电极中的LiPF产生反应，并生成氟化氢，而氟化氢是一种高腐蚀性的副产品，会破坏电池组件。*终制造完成的电池中的水分含量一般不超过500 ppm。但由于水是阳极浆液中一种极具性价比的溶剂，因此无法在电池制造中避免水的使用。
 

电池生产线的速度很快，因此在组件生产和电池组装中，一般使用摄像头和线路检测装置以光学方式检测锂离子电池。

组装电池单元前，需通过干燥和真空干燥步骤清除电极膜中的残留水分。德国亚琛工业大学电动交通组件生产工程设计主席Marc Locke表示，在真空干燥步骤中，一般会定期分析电极样本中的残留水分。


在这些离线分析中，可以使用能够精准测量低含量水分的热重分析法水分分析仪，例如赛多利斯MA 100水分仪。水分分析仪也可以用于在准备电极浆液之前评估阳极和阴极组件的水分含量。

第 2 阶段 组装电池组

电极充分干燥后，便可以组装电化学电池。将大电极片切割为单独的电极段，涂覆一层薄的高分子分离膜，然后卷起或折叠小的片材。片材卷或堆垛上设有线路连接点。将电极装箱并加入液体电解液。*后将电极箱密封。



质量控制：精密称重

加入电解液后，生产线上集成的在线称重单元会对加入电池中的电解液数量进行称重分析。赛多利斯销售经理Kyle Lee表示，除了快速响应和精准的称重，生产线上的称重单元还必须小巧、防爆，并拥有稳定的内部校准系统。赛多利斯作为原始设备制造商生产的称重单元被多家韩国企业应用于生产电动汽车用锂离子电池的美国、中国和欧洲的海外工厂。

值得一提的是，为可重复制造满足性能要求的高质量锂离子电池，高质量试剂是一个关键要素。同样，电池研究实验室和电池质量控制实验室都需要使用良好表征的材料来开发新型电池技术和研究电池性能背后的化学机制。赛多利斯的Arium超纯水系统可以为实验室提供稳定的高质量水，满足配制和分析仪器的使用需求。

第 3 阶段 完成电池组装

电池单元完全组装好后，还必须经过一个电化学形成和熟化过程，这个过程可能需要数天或数周的时间。在生产线之外的一个类似于仓库的设施中，对电池单元缓慢充电，促使在电极表面上形成一个固体电解质界面膜（SEI）。SEI是电池工作过程中一个必要的部分。

机器人会在仓库中快速巡视，评估每个电池单元的电性能。



质量控制：电性能

SEI形成后，会对电池单元进行电性能检查，例如在数周内测量电池的输出电压的稳定性。满足电动车辆要求的性能标准的电池单元会被组装在一个电动汽车电池组中并连接在一起。


未来的电动汽车电池技术

经过数十年的稳定改进，锂离子电池制造方法已经能够满足电动汽车市场严格的性能、成本和安全要求。自动化生产线不仅集成了一系列分析仪器，生产后也会执行常规测试，并由此在电池组件生产中实现了高精准度。现有和未来电动汽车电池制造流程的精密控制将在这个快速增长的行业中确保安全性，*大程度降低材料和能源浪费，并持续提升消费者的信任度。

赛多利斯MA红外水分分析仪