寧波久鉅智能裝備有限公司董事長(zhǎng)朱效銘：全極耳大圓柱鋰電池結(jié)構(gòu)及材料實(shí)踐
圖為寧波久鉅智能裝備有限公司董事長(zhǎng)朱效銘作主題演講
朱效銘：今天跟大家分享的是“大圓柱電池結(jié)構(gòu)和材料的實(shí)踐”。
(見PPT)這是我的個(gè)人簡(jiǎn)介，我做電池大概有40年的時(shí)間了，在電池行業(yè)還是做了一些工作，曾經(jīng)在堿性電池領(lǐng)域里面有一定的貢獻(xiàn)，我主導(dǎo)的項(xiàng)目獲得過國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
下面跟大家分享一下關(guān)于大圓柱方面的幾個(gè)實(shí)踐。
大圓柱看上去結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是它的電池設(shè)計(jì)是比較關(guān)鍵，因?yàn)殛P(guān)系到安全性、密閉性以及能源利用率、生產(chǎn)效率，這些都有直接的影響。作為一個(gè)全新的產(chǎn)品，現(xiàn)在大多數(shù)的企業(yè)都是在比較保密的情況下進(jìn)行的，公開的數(shù)據(jù)不多，我這里根據(jù)一些公開資料的介紹和我個(gè)人的實(shí)踐，跟大家分享一下。
這是一個(gè)小視頻，介紹我們做的一些設(shè)計(jì)。
(播放視頻)
大圓柱電池跟傳統(tǒng)的圓柱電池有很大的區(qū)別，目前大多數(shù)的企業(yè)還是在研發(fā)設(shè)計(jì)中，真正量產(chǎn)的不多，包括特斯拉、松下，他們現(xiàn)在也基本上都是處于中試階段。最近特斯拉也有好幾個(gè)產(chǎn)品推出來，其實(shí)它在結(jié)構(gòu)方面還是在做一些改進(jìn)，因?yàn)槎啾纫淮慕Y(jié)構(gòu)還是有點(diǎn)不一樣的。
從結(jié)構(gòu)要求來說，一是要滿足它的性能要求，包括大電流輸入、充放電、改善熱失控，提高電池的容量。
第二是在生產(chǎn)工藝上要滿足工藝上的要求，其實(shí)這一點(diǎn)很重要，它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，剛才視頻大家也看到了，它的結(jié)構(gòu)就是幾個(gè)零件，就是正負(fù)極、電芯極耳、集流盤、集流柱、正極蓋、負(fù)極蓋，就這么幾個(gè)零件。但是這幾個(gè)零件的組合和它結(jié)構(gòu)的變化，跟工藝是有很大關(guān)系的。目前來說，大圓柱全極耳有很多工廠在生產(chǎn)，全極耳的工藝，它真正的輸出還是有極耳的，特斯拉推出了一款新的結(jié)構(gòu)以后，國內(nèi)的企業(yè)也都在向這方面靠攏，但是國內(nèi)的比亞迪、比克、億緯、國軒，他們都在做自己的大圓柱方面的結(jié)構(gòu)，大家各有千秋，都有不同的地方。在設(shè)計(jì)當(dāng)中要滿足工藝要求也是很要緊的，同時(shí)又要提高生產(chǎn)效率，因?yàn)樯a(chǎn)效率的提高對(duì)電池的成本會(huì)有更大的影響。
第三是要滿足自動(dòng)化要求，結(jié)構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)直接影響生產(chǎn)線的自動(dòng)化，因?yàn)橐粋€(gè)零件如果設(shè)計(jì)不合理，它自動(dòng)化程度做不到，就像我們現(xiàn)在32140、34140這種國內(nèi)在做的大圓柱，它有極耳的，有極耳的電池嚴(yán)格來說在自動(dòng)化程度方面是有些欠缺的。
第四是要滿足成本的要求，如果結(jié)構(gòu)件比較復(fù)雜，制造成本回比較高。
第五是要滿足安全性的要求，比如說防爆閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、部位的設(shè)計(jì)，直接影響電池的安全。目前特斯拉的電池要求負(fù)極采用防爆閥，國內(nèi)有些企業(yè)采用的是正極輸出防爆閥，這些結(jié)構(gòu)對(duì)汽車?yán)锩嬗绊懕容^大，因?yàn)槠嚴(yán)锩嫘枰?fù)極裝在底盤下面，假如說防爆的話，它就直接沖到下面去，如果在上面的話，它可能會(huì)對(duì)整個(gè)電池的安全性有影響，所以它在安全性方面是有嚴(yán)格要求的。
第六是要滿足回收、利用和環(huán)保的要求。現(xiàn)在鋰電池回收這一塊也是比較大頭的，如果結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，以后拆解不太容易，就會(huì)導(dǎo)致回收的成本比較高。
(見PPT)這是特斯拉的電池結(jié)構(gòu)，看上去就很簡(jiǎn)單，正極極柱、殼體正極集流盤、正極集流盤、負(fù)極端蓋，這是很簡(jiǎn)單的，現(xiàn)在很多電池企業(yè)都在做這方面的研究，做到最后在工藝上也會(huì)有很大的差別。
(見PPT)這是它的二代，相比一代沒有什么大的區(qū)別，就是在負(fù)極集流蓋那個(gè)地方，之前采用的是輥槽工藝，現(xiàn)在采用的是焊接工藝。
這是我們的一款結(jié)構(gòu)，當(dāng)然我們公司也有好多款結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲覀児境俗鲭姵厣a(chǎn)線之外，我們?cè)陔姵亟Y(jié)構(gòu)方面也做了一些探索，目前可以幫助同行業(yè)在這方面發(fā)展。
這是我們公司曾經(jīng)做的一款4680大圓柱電池。
這是現(xiàn)在32140、34140結(jié)構(gòu)的電池，它也算是大圓柱，但是它的結(jié)構(gòu)跟4680還是有些類似的，也是采用極耳輸出的方式。
這是國內(nèi)有幾家在做的兩頭輸出的結(jié)構(gòu)，兩頭輸出目前大多數(shù)用在兩輪車上面，因?yàn)閮深^都要焊接，它的焊接Pack成本比較高，特斯拉的電池在正極端和負(fù)極端在一個(gè)平面上，Pack的時(shí)候成本會(huì)很低。
下面是從結(jié)構(gòu)和材料方面跟大家分享一下，外殼目前來說鋰電池大圓柱分為單頭開口和兩頭開口的結(jié)構(gòu)，一般來說直徑比較短、高度比較低的采用單頭開口的結(jié)構(gòu)，比較長(zhǎng)的一般采用兩頭開口，因?yàn)殚L(zhǎng)了以后，它的外殼沖制成了問題，鋼殼的拉伸比是有極限的，鋁殼雖然拉伸比較好，但是它拉伸也是有極限的，所以一般會(huì)采用兩頭的。假如說高度比較高的，國內(nèi)有46250這種圓柱，如果要超出它的沖制外殼比例，我們會(huì)選擇兩頭開口的方式。
外殼的材料目前來說就是用鋁的，因?yàn)殇X的導(dǎo)電性能比較好，散熱性能比較好，沖刺性能也比較好，它的缺點(diǎn)就是材料成本相對(duì)來說比較高。另外一種材料就是用深沖鋼帶，大家在18650上都看到過，這種材料的成本相對(duì)來說比較低，而且鋼殼耐高壓情況比較好，但是它的導(dǎo)電性能相對(duì)來說比較差。
這是電芯全極耳的結(jié)構(gòu)分析，國內(nèi)國外現(xiàn)在有兩種，一種是前面那種極耳的切割結(jié)構(gòu)，就是留白以后，在卷繞之前先把它切好;另外一種是沒有切的結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)各有千秋，目前來說國內(nèi)的揉平?jīng)]有很好地解決。國內(nèi)現(xiàn)在大多數(shù)采用機(jī)械揉平，對(duì)極耳的刮擦比較嚴(yán)重，所以會(huì)產(chǎn)生一些碎屑，碎屑可能會(huì)直接影響電池的性能。特斯拉其實(shí)也沒有很好地解決這個(gè)問題，所以它采用切的方式，切了以后用壓平的方式來做，它的碎屑情況會(huì)好一點(diǎn)，但是它也有一個(gè)問題，它對(duì)疊起來以后的厚度要求比較高，因?yàn)樗诤附拥倪^程中不太好焊，容易穿透。揉平有一個(gè)好處，它的焊接效果相當(dāng)好，揉平以后很少產(chǎn)生焊穿的現(xiàn)象，焊接的牢固度各方面都會(huì)比較好一點(diǎn)。這兩種工藝各有千秋，我們公司目前也研發(fā)了一款無聲揉平的工藝，揉平的方式跟現(xiàn)在不一樣，所以我個(gè)人認(rèn)為，可能揉平的方式焊接比切的效果好一點(diǎn)。當(dāng)然這也要被大量生產(chǎn)以后才能獲取數(shù)據(jù)，來判斷到底哪個(gè)工藝好。
正極集流盤目前大多數(shù)也是采用鋁，一般是用純度比較高的材料來做。
下面一個(gè)是特斯拉的正極集流盤，一個(gè)是國內(nèi)大圓柱帶有極耳的集流盤。從這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念上來說，這兩個(gè)集流盤的設(shè)計(jì)其實(shí)都存在著一個(gè)比較大的問題，就是自動(dòng)化程度比較難實(shí)現(xiàn)。你看它中間的焊接，特斯拉的焊接就是在中間像一朵花的片片里面焊接，自動(dòng)化是做得到，但是效率會(huì)大大降低。第二個(gè)也是一樣的，它有一個(gè)極耳，而且焊接要在兩個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)焊接，從設(shè)備角度上來說是能實(shí)現(xiàn)，但是它的效率也是會(huì)大大降低。
我們公司目前采用的極耳也是能夠在全方位、全角度焊接的理念來做，在不久的將來我們會(huì)推出我們的集流盤分享給業(yè)內(nèi)。
這是負(fù)極的集流盤結(jié)構(gòu)和材料，它的材料基本上都是采用T2銅，還有的是采用其它焊接比較好的材料，以銅為主。但是這兩個(gè)集流盤的設(shè)計(jì)也是跟正極集流盤一樣，也存在這些問題，就是自動(dòng)化程度在設(shè)計(jì)上存在一些缺陷。
這是一個(gè)正極集流柱的設(shè)計(jì)，目前國內(nèi)的結(jié)構(gòu)跟特斯拉的結(jié)構(gòu)基本上是差不多的，都采用鋁，通過鉚接或者超聲波焊接的方式來固定。
這是負(fù)極結(jié)構(gòu)的材料，負(fù)極結(jié)構(gòu)底蓋大多數(shù)都采用鐵和不銹鋼來沖，這個(gè)地方的設(shè)計(jì)也有一些要求，前面兩個(gè)是特斯拉的材料設(shè)計(jì)，它可能會(huì)比較厚，因?yàn)樗虚g平面跨度的地方比較大，后面兩個(gè)是我們自己的結(jié)構(gòu)，前面一個(gè)是采用輥槽結(jié)構(gòu)的，后面兩個(gè)是采用焊接結(jié)構(gòu)的，中間的加長(zhǎng)筋的設(shè)計(jì)也很要緊，因?yàn)閳A柱電池最薄弱的環(huán)節(jié)就是它不是在鋼殼部分，鋼殼部分承受的壓力是完全夠的，它就是兩個(gè)平面，里邊的壓力大的時(shí)候兩個(gè)平面會(huì)鼓起來，所以它的強(qiáng)度要求特別高。一個(gè)是增加它的厚度，第二個(gè)是加長(zhǎng)筋的設(shè)計(jì)，這個(gè)看上去很簡(jiǎn)單，加長(zhǎng)筋要在合理的范圍內(nèi)加長(zhǎng)，一條不夠，可能會(huì)采用兩條加長(zhǎng)筋。
這是一個(gè)密封件，國內(nèi)這一塊推出的也很多，在18650上采用的PP材料比較多，國內(nèi)現(xiàn)在也在試制PFA這種材料，它的性能是相當(dāng)優(yōu)越的，但是它材料太貴了，所以一般的廠家用起來成本比較難接受，還有它的注塑條件比較苛刻，所以這兩種材料目前用得比較多。
下面那個(gè)是安全閥的設(shè)計(jì)，特斯拉二代的安全閥，我判斷大概就在第一個(gè)的范圍內(nèi)。第二個(gè)是國內(nèi)的安全閥的設(shè)計(jì)，兩頭鋁的大圓柱的安全閥。第三個(gè)是我們自己研發(fā)的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)也有人在用。
這三個(gè)結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)要求上來說，特斯拉的結(jié)構(gòu)也是相當(dāng)優(yōu)秀的，但是它有一個(gè)問題，它的安全閥這個(gè)部位在整個(gè)平面上是最薄的環(huán)節(jié)，假如說這個(gè)負(fù)極底蓋是0.5的厚度，安全閥部分會(huì)沖壓成0.2甚至是更低的厚度，在內(nèi)壓增加的情況下，它最薄的地方就打破了，就瀉壓了。第一個(gè)的缺點(diǎn)在什么地方呢?一般沖壓要把等厚的沖壓變薄，需要沖好幾道，沖擊的成本比較高。第二個(gè)結(jié)構(gòu)，采用的是鋁的薄片焊上去的，這個(gè)鋁的薄片非常薄，底蓋可能是1毫米，它大概就是0.1毫米，就是這樣比較薄的焊上去的，或者是在上面沖得比較薄。我們的結(jié)構(gòu)是比較適合不銹鋼結(jié)構(gòu)的，因?yàn)槟憧吹剿姆辣^的設(shè)計(jì)在電池的內(nèi)部，采用不銹鋼是比較合適的。如果采用鐵就不行，如果后面沖刺一道防爆鉤，那你必須要處理，處理了以后，它的防爆壓力就會(huì)變化，所以就變得不可控。如果采用鐵的話，我們的防爆閥會(huì)沖在正面，然后在正面涂上防銹膠來解決。因?yàn)殍F是直接面對(duì)電池內(nèi)部，對(duì)電池的質(zhì)量還是會(huì)有影響。
還有一個(gè)是密封膠，目前來說密封膠在這方面的應(yīng)用也是有人在做的，一個(gè)是要耐腐蝕，還要耐高溫，還有固化要快，另外黏性要好，工藝性要好，要適合量產(chǎn)線的要求。
還有就是注液孔的設(shè)計(jì)，看上去這個(gè)注液孔，特斯拉的是設(shè)計(jì)在中心位置的，國內(nèi)之前的大圓柱注液控是設(shè)計(jì)在偏心的，偏心和中心有什么區(qū)別呢?這個(gè)主要是在圓柱電池的特性里面，對(duì)自動(dòng)化程度是一個(gè)比較優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，一般我們都會(huì)選擇在中心軸，因?yàn)閳A柱電池只要外殼定位，就很容易找到它的中心。你如果在偏心，要用電器的設(shè)備系統(tǒng)判斷這個(gè)孔的位置在哪里，自動(dòng)化程度就大大下降。以后在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，這些都是需要注意的，作為圓柱電池，設(shè)計(jì)在中心孔是比較好的。
還有一點(diǎn)，我們的注液孔設(shè)計(jì)在中心部位，還有另外一個(gè)考慮，就是正極集流柱和正極集流盤的焊接，我們是通過中心孔周邊的地方去焊接，所以我們解決了正極集流柱和正極集流盤焊接的一個(gè)比較大的難題，特斯拉也不是采用這種方式來做的，從它的解剖情況來看，它也是通過超聲波焊機(jī)，它能焊牢，但是效率比較低，要達(dá)到200、300PPM，需要多少焊機(jī)去焊這個(gè)東西?所以在設(shè)計(jì)上還有一些地方需要改進(jìn)，我看到國內(nèi)有些企業(yè)也是在做扭矩焊，我覺得在效率上會(huì)存在一些問題。
目前我們公司推出了一個(gè)概念，采用一種柱解的概念，目前這個(gè)技術(shù)我不在這里展開講，因?yàn)闀r(shí)間到了。以后如果大家有需要，可以找到我們公司，我們可以做一些技術(shù)交流，我個(gè)人也愿意把我們的工藝技術(shù)跟電池行業(yè)分享，謝謝大家。
(以上為演講速記，未經(jīng)演講者審閱。)
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