時代高科田宏國：去除影響鋰電池品質(zhì)的“萬惡之源”
圖為深圳市時代高科技設(shè)備股份有限公司副總裁、研究院院長田宏國作主題演講
11月16日，“2017’第二屆動力電池應用國際峰會暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”在北京召開。本屆峰會由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應用分會承辦，無錫先導智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會人數(shù)超600人。
在智能制造分論壇上，深圳市時代高科技設(shè)備股份有限公司副總裁、研究院院長田宏國做主題演講，分享了公司在鋰電池制造中的干燥問題解決方案及其先進產(chǎn)品與技術(shù)優(yōu)勢。
以下為田宏國演講內(nèi)容：
鋰電池大家都非常清楚，簡單來講主要由四個部分構(gòu)成：正極、負極、隔膜，還有電解液，這四種物料構(gòu)成了鋰電池的核心。鋰電池有多種形式：圓柱，方形；硬殼，軟包，等等，包括剛才無錫先導介紹的目前最流行的圓柱21700。在動力鋰電池應用方面，我們一般要把單獨的電芯組成電池包，應用到車上。從這張圖片，大家可以看到各種形式的各種模組。從單個的電池最后變成新能源汽車的動力總成，包含很多個電池單體。這里要重視一個概念，即整體性。雖然單個鋰電池看起來很簡單，但是其實它也是非常復雜的。電芯一旦化成后，就變成了一個有生命的有機體，而且往往我們很難知道它在內(nèi)部發(fā)生什么反應，就像一個黑箱系統(tǒng)。
在這個黑箱系統(tǒng)中，水分是一個非常重要的因素，為什么水分是鋰電池電池生產(chǎn)過程中需要嚴格控制的關(guān)鍵因素。就最簡單而言，當鋰電池內(nèi)水分足夠多時，產(chǎn)生的氣體多，電池內(nèi)部的壓力就會變大，從而引起電池受力變形，出現(xiàn)電池鼓漲，漏液等危險。我們可以從這幾個方面進一步分析一下水對鋰電池性能的影響：對首次充放電容量的影響，對電池內(nèi)阻的影響，對電池容量衰減的影響，對電池厚度的影響，等等。這些圖片展示鋰電池科研人員或者同行在這些方面所做的研究工作及其結(jié)論。水分含的越高，對鋰電池性能的影響就越顯著，鋰電池各方面的性能就越差、越惡劣。非常清楚，過量的水分對鋰電池系統(tǒng)有產(chǎn)生負面影響，水對鋰電池是非常有害的。但是鋰電池的各種材料又特別容易吸水，這個曲線反映的就是在一個小時內(nèi)鋰電池的各種材料會吸附大量的水分，因此在鋰電池的生產(chǎn)過程中要嚴格控制水分。
大家都非常清楚木桶理論或者短板理論，應用到鋰電池電池方面也是同樣的，整個電池包的性能，特別是容量，不是說取決于最好的單個電芯，而是受制于最壞的單個電芯，所以一個安全可靠的鋰電池包，對構(gòu)成其的每一個單個電芯的一致性要求非常高。影響電芯一致性的一個最重要的因素之一是電芯水分含量的控制。從保證電池包的安全可靠與一致性而言，每一個電芯的水分控制都要盡可能做到一樣的水平，一個也不能缺失，一個也不能短少。這是鋰電池水分控制的第一個策略。
理論上而言，構(gòu)成鋰電池的所有關(guān)鍵原材料都容易吸水，都應該去除水分。由于每個材料的理化特性和熱動力學參數(shù)都不一樣，去除水分的最佳工藝條件千差萬別，從最有效去除水分的目標考慮，鋰電池的各個關(guān)鍵材料都應該分別去除水分，采用分而治之，各個擊破的策略。這是鋰電池水分干燥應該考慮的第二個策略。所以在實踐中，我們可以根據(jù)鋰電池材料的不同，將水分去除分幾個部分來進行，而不要什么都到最后環(huán)節(jié)才考慮。Divideand Conquer, 分而治之，各個擊破，在各個環(huán)節(jié)都考慮水分的去除。雖然從成本及簡化工藝角度考慮，在實踐中大多數(shù)鋰電池制造商集中在注液前對電芯的烘烤干燥。
有一段時間我們常說“不能輸在起跑線上”、“要從娃娃抓起”，等等。這些說法現(xiàn)在看來對孩子教育不見得合理或者必要，但對鋰電池水分干燥而言，確實有必要從“源頭”抓起，對鋰電池的正負極材料進行干燥。從“頭”抓起，這是鋰電池干燥的第三個策略。鋰電池從原材料到最后的動力電池系統(tǒng)總成，產(chǎn)業(yè)鏈相對比較長。如果你不重視前面工作，基礎(chǔ)不好，水分在鋰電池生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)可能發(fā)生不同程度的負面影響，后面也是很難做到盡善盡美的，因此，從“頭”抓起，也非常重要。
鋰電池水分干燥的第四個策略是“分工協(xié)作”。這一點可以看做是我們觀察蜜蜂世界而得到的啟發(fā)。我們知道，在蜜蜂世界里，一般有三種角色：蜂王、雄蜂、工蜂。三種不同形態(tài)和角色的蜜蜂分工協(xié)作，保證了蜜蜂世界的有序高效運作。在水分干燥方面，我們原來非常習慣的傳統(tǒng)單體烘箱，在有限的空間內(nèi)要把幾個任務(wù)都要做了：預熱，干燥，冷卻，等等，效率很低，干燥時間往往長達幾十個小時。借鑒蜜蜂社會高效運作的重要原因之一 ：分工協(xié)作，在在鋰電池干燥方面，我們也可以專項分工，各司其職的策略，把一個單臺的真空烘箱拉長，將其要實現(xiàn)的核心功能分解到不同的段去實現(xiàn)，分為預熱段、真空干燥段、降溫段，每段集中精力專門去完成其職能，這樣效率就大大提高了。這就是時代高科首創(chuàng)、領(lǐng)先的隧道式真空干燥系統(tǒng)的基本原理。
我們對鋰電池水分干燥的核心技術(shù)，也非常直截了當：高溫+真空。我們知道，要把水去掉，加熱烘烤是最常用的有效方法。但是鋰電池中的水分含量很低，一般要去除的水分都是幾百PPM，有的高也就是幾千PPM。另外，鋰電池中的水分，可能以各種形式存在：吸附水、結(jié)合水、結(jié)晶水，等等。簡單的加熱高溫的方法，已經(jīng)不足以快速有效地去除含量不高、形態(tài)各異的鋰電池中的水分。要提升效率，還必須加上真空條件。為什么？我們知道壓力越低，水的沸點越低，或者水發(fā)生氣/液/固相變的溫度越低，水就越容易揮發(fā)或者去除掉。大家都知道西藏煮雞蛋煮不熟，因為空氣稀薄，大氣壓低，水60度水就開了，變成氣態(tài)揮發(fā)了。這些表顯示了水的沸點與大氣壓/真空度關(guān)系的一些參數(shù)，可以看到，在大氣壓為12.8Pa的時候，水的相變臨界點溫度只有-40℃。可以說，真空條件顯著改變了鋰電池中的水動力條件，極大提高了水分去除的效率。
從鋰電池全產(chǎn)業(yè)鏈來考慮，鋰電池從原材料到最后動力總成用到車上，產(chǎn)業(yè)鏈是比較長的，有必要考慮各個環(huán)節(jié)鋰電池水分怎么有效的控制和去除。我們特別強調(diào)從源頭抓起，對正極、負極、隔膜，按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法和出貨標準，出廠的時候水分含量是很高的，遠遠超過了現(xiàn)在動力電池安全和一致性所要求控制的水分，所以材料干燥是非常重要的。我也很高興接觸到一些參加會議的同行向我詢問材料干燥這方面的問題，我們也非常愿意分享我們的一些成功案例或者解決方案。
時代高科在鋰電行業(yè)研發(fā)設(shè)計制造設(shè)備十多年了，有很多原創(chuàng)產(chǎn)品。在我們發(fā)展過程中，有兩次非常重要的合作。一個就是從2005年開始跟MAXWELL合作，那時候動力電池還沒起來，MAXWELL是世界范圍內(nèi)超級電容器研發(fā)生產(chǎn)的龍頭老大和技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)，首先意識到水分控制對超級電容器性能與安全可靠性的重要性，主動尋求與時代高科合作。第二個重要合作是從2013年開始，時代高科跟比亞迪合作，共同研發(fā)設(shè)計更加高效率的隧道式真空干燥技術(shù)，并在2013年底實現(xiàn)了技術(shù)突破與產(chǎn)品實現(xiàn)。目前比亞迪也是我們最大的客戶。跟世界級的領(lǐng)先公司合作，幫助我們技術(shù)快速提升，使得我們業(yè)務(wù)也不斷的擴大，這是目前時代高科能夠成為新能源連續(xù)式真空干燥技術(shù)與產(chǎn)品領(lǐng)軍企業(yè)的重要原因。
時代高科的新能源真空干燥產(chǎn)品主要包括兩大類：
ü 全自動隧道式連續(xù)真空干燥系統(tǒng)，適合于高產(chǎn)能的大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，節(jié)能效果非常明顯，能夠大幅度降低產(chǎn)品成本。產(chǎn)品一致性好，顯著提升最終產(chǎn)品的安全可靠性。該產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，運維成本低，投資回報快，自動化程度高，高效可靠，適應性廣。
ü 高真空干燥單體烘箱，可以達到很高的溫度一致性和真空度，更好地保證產(chǎn)品的一致性。對此我們還提供配套的機器人+AGV小車，完成自動上下料，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線。
時代高科的真空干燥產(chǎn)品，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，涉及多項創(chuàng)新技術(shù)。這些圖表反映了我們產(chǎn)品在性能一致性方面的突出優(yōu)勢。我們系統(tǒng)空載的測試數(shù)據(jù)顯示，我網(wǎng)名在各腔體的溫度一致性和真空度、真空泄露率等方面可以達到很好的指標。滿載時升溫數(shù)據(jù)顯示，干燥系統(tǒng)以及待干燥工件的溫度，溫升速率很快；滿載時各腔體溫度均性，以及抽真空速率，完全達到了設(shè)計指標或者客戶要求。我們系統(tǒng)的真空泄露也控制得非常好，客戶給我們提供的實測數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過24小時以后，我們泄露量不超過46帕，平均每小時不到2帕。這是電池表面和內(nèi)部的溫度，一致性也是很好的。
雖然時代高科隧道式連續(xù)真空干燥產(chǎn)品投放市場的時間不長，但是我們可以很自豪的說，國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)G20俱樂部成員的85%都是我們的客戶。從這個清單大家可以看到，比亞迪、力神、中信國安等等都是我們的重要客戶。去年一年，時代高科為我國動力鋰電池行業(yè)貢獻了將近40億瓦時的產(chǎn)能，所以我們還是非常很自豪的。
我把比亞迪放在他們工廠生產(chǎn)車間的對我司隧道式真空干燥系統(tǒng)的簡介與大家分享一下。大家可以看到它的能耗只相當于原來傳統(tǒng)單體烘箱的20%，我們對客戶生產(chǎn)的效率提升和節(jié)能減排，貢獻是非常顯著的。
通過上面的分享，我們可以很清楚地認識到，過量水分對鋰電池性能及安全可靠性有諸多方面的負面影響，是鋰離子電池的萬惡之源，必須去除。鋰電池的水分干燥要從全產(chǎn)業(yè)鏈考慮，采用系統(tǒng)性的策略，從源頭抓起，也要分而治之，把棘手的問題分解了來解決。隧道式連續(xù)真空干燥系統(tǒng)，能耗低、效率高、穩(wěn)定可高，是成熟的大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)，可以顯著提升產(chǎn)品性能和一致性，是動力鋰電池高端化、差異化、安全可靠發(fā)展的必備利器。鋰電池產(chǎn)業(yè)的干燥問題解決方案，盡管來找我們時代高科。
非常感謝大家！
（根據(jù)發(fā)言整理，已經(jīng)本人審閱）
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