锂电池生产线概述【文献综述】

文献综述

电气工程及自动化

锂电池生产线概述

摘要：介绍锂电池作为新一代的理想能源，它在全球能源危机情况下，相比于其它新型能源所体现出来的优越性，以及它在国内外的发展趋势和现状，锂电池所涉及的产业链、锂电池的优点、锂电池的生产工艺过程和电气控制。

关键词：锂电池产业；发展现状；优点；生产工艺过程

1.引言

面对日益严重的环境污染和能源危机，世界各国都在出台了相关政策，制定新的能源战略，在节省现有能源的同时大力发展新型能源[1]。由于锂电池有着储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等显著优点，所以引起了世界各国的高度重视，以锂电池为主导的锂电池产业在全球得以快速发展。

2．国内锂电池产业的发展、现状以及存在的问题

早在19世纪六十年代，美国就在开展军用锂电池的研制工作[2]。1971年，日本首先推出了实用型的锂一聚氟化碳电池，这一举动引发了世界各国竞相开发锂电池的热潮。近几十年来，以锂离子电池生产为主导的锂电产业在全球取得飞速发展。

锂离子电池是目前理想的新一代绿色能源，它具有储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等优点[3]。由于锂电池有着显著的优越性，世界各国都很重视，尤其是动力锂电池更备受关注。随着手机、笔记本电脑、数码相机等的消费和便携式电子产品的持续走强，锂离子电池的市场需求一直保持相当高的增长速度，市场对于锂离子电池的巨大需求也引导着锂离子电池行业的继续走强，整个锂电产业在全球正处于良好发展机遇。

近些年来，很多外资企业调整全球战略，将中国作为锂电池的生产基地[4-5]。再加上我们国家2008年提出了新能源政策及其发展规划之后，国内的锂电池生产企业开始大量涌现，据2009年电池行业统计数据，我国已注册的锂电池生产企业有1500多家，整个行业呈现出蓬勃发展的姿势[1]。但需要知道的是，国内目前涉足动力锂电池的企业，无论是材料生产商，电芯制造企业，还是其他配套的企业，多数对行业、市场缺乏深刻了解，在技术上也存在着各种瓶颈，并且一时难以找到有效解决方案。此外，由于锂电技术发展迅速，随着锂电池材料、型号、质量要求以及工艺需求的不断改变，国内还没有建立一套统一的锂电池行业标准。由此可见，我过的整体技术比国外要落后的多，要想在国际市场上占有一席之地，必须要有自己的核心技术。

今后，国内各大锂电池生产企业必须以全自动化、高精度设备为发展方向，生产出具有自主产权的高性能专用生产设备，保证产品的高品质，不断扩大市场需求，走向世界。目前，中国锂电已经进入自足时代，量产能力迅速成长，在性价比上拥有外资品牌暂时无法比拟的优势。不过，在保证电池一致性方面，半自动生产方式显然无法企及自动化生产。因此不少厂商不惜投入大量资金引进全自动生产线。

目前，比亚迪、比克、邦凯等中国锂电企业以其特有的生产工艺，大幅度降低了锂电池的生产成本，改变了锂电产品日本企业一统天下的局面，但是在高端锂电市场，中国仍处于起步阶段，与跨国大企业相比还有很大差距。

3.锂电池产业概述[6]

按照锂电生产及其运用的地位划分，锂电产业链组成大致可划分为以下四个部分：

(1)上游产业

锂电上游产业主要是天然矿产资源，包括钴、镍、锰、磷、铁、锂及各种化合物，其中尤以钴和锂用量最大，但它们在自然界中储量有限，属于稀缺资源。

(2)中游产业的材料环节——研发新品种的核心

锂电产业链第二环节属于锂电产业中最核心环节，决定了锂电技术进步的关键。电芯的原材料如下：正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜等。其中市场容量最大、附加值较高的是正极材料，大约占到锂电池成本的30%，目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。

(3)中游产业的规模化制造环节

锂电产业链中游环节是电芯制造和PACK组装。相对来说属于劳动密集型的大规模制造产业，国内外涉足该领域的企业众多。而尤以大企业竞争优势明显，行业地位很难撼动，其中不乏像索尼、三洋、三星、LG化学等跨国知名锂电业巨头；国内近些年上规模的企业也不断增长，现整体产业主要分布在日本、韩国、中国大陆及其台湾地区。中游厂商的共性特点是资本实力强、品牌知名度高、技术工艺成熟且有能力生产各种锂电池，除传统钴酸锂电池外，还能生产新型磷酸铁锂电池。

(4)下游产业

锂电产业链下游是指应用环节，包括低端的手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具、矿灯市场，中端的风电和太阳能储能市场，以及高端的电动自行车、电动摩托车、电动代步车、电动轮椅、电动轿车及电动客车市场等。在军事航天领域如坦克、潜艇、火箭、月球车等方面，锂电也大有用武之地。

4.锂电池的优点[2]

（1）电压高。锂电池以电势最负的金属锂作负极，一般锂电池开路电压都在3V以上，而普通电池开路电压一般只有1.5V，前者是后者的两倍。

（2）比功率高，锂电池的比功率超过200Wh/kg和400Wh/L，为普通电池的4-10倍。

（3）工作温度范围宽，可在环境温度-55°~ +75°范围内工作。具有耐低温特点，故其在极低温度下（-20°C）电量不变。普通锂电则不耐低温，在-10°时电量仅为5%。

（4）放电电压平稳，平稳的放电曲线是大多数锂电池的共有特性。

（5）适用范围大。目前已商业化的锂电池，容量最小的仅只3mAh,而大已达101000Ah,从微电流到大电流放电都可以找到合用的锂电池。

（6）贮存和使用寿命长, 锂电池贮存寿命可长达十年。由于锂电池采用的电解液正负极活性物质都很稳定, 虽然金属铿很活泼, 但在电解液中很快生成一层保护膜, 阻止了金属锂进一步反应, 从而提高了锂电池的湿搁置寿命, 在密封良好的条件下可贮存长达十年。

5．锂电池生产线工艺

锂电池生产工艺过程包含以下环节：搅料、涂布、对辊、剪裁、焊接、卷绕、封装、注液、高温老化、检测、包装。

锂电池最重要的前三个环节就是搅料、涂布和对辊。首先是搅料，对照技术部制定的技术规格，将正极极片的所有材料按照一定的比例顺序配置好，然后放在一个几百升大的真空搅拌机内搅拌，搅拌时间一般为十个小时以上（负极浆料搅拌时间要比正极短很多），期间要保证这个容器的密封性和真空度。搅拌好之后，可以用粘度计测量浆料的粘稠度，从而得知浆料是否达到技术规格，经验老道的技术员一看就知道粘稠度大致是多少。浆料过稀或过稠都会影响极片涂出来的效果，最终也直接影响到电池的性能和使用寿命。

解决好了浆料的问题，接下来就是涂布环节了。涂布机分为放卷机构、涂布机构和收卷机构。系统采用的涂布方式为：正面先涂布后留白，反面先留白后涂布。故在反面间涂时特别注意设置参数，正面第一段留白对应反面第一段留白，正面第二段留白对应反面第二段留白。

涂布涂好之后，再烘烤十二小时，然后拿出来对辊。对辊机同样分为三个部分，放卷机构、对辊机构和收卷机构。其中最重要的是对辊机构，由上下两个重达一吨的大辊筒组成，当极片由放卷机构慢慢传递过来时，下辊筒根据设定值上升到一定高度，和上辊筒一起将极片辊轧，辊轧之后的极片比之前要平滑，厚度会变小。如果极片厚度检测出来不符合技术规格，可以通过修正定位参数，将下辊筒下降后再抬起，逐次调试，最终达到所要求的技术参数。

对辊之后要对极片进行裁片切片。同样在裁片机和切片机设备中输入合适的技术参数，然后再对极片进行操作。经过这两道工序之后，再用激光点焊机把极耳焊到极片在涂步时预留的留白处。焊接好的极片就可以卷绕成电芯了。将负极极片放在上方槽内，正极放在下方槽内，两个极片经过

一个传送带之后由卷轴卷成方形电芯，两片极片之间都隔着隔膜。卷绕好之后再将电芯装到铝塑模壳里，用封装机将它侧封和顶封，这样子一个电池就差不多成型了。接着再注入电解液，对它进行化成和分容，检测三十六个小时没有问题之后，就是一块成品电池了。

6．锂电池生产线控制系统

由于锂电池生产设备的电气控制和其它一般的电池的控制原理是相似的，所以通过描述其它几种电池生产线控制系统来阐述锂电池生产线涂布控制模块的工作原理。

6.1 锌空电池生产线控制系统

(1)速度控制[7]

该系统采用新的运动设计和控制方法，以实现极片制造的平稳、快速、高质。加料上采用飞洒漂浮式布料，旋转铣削式刮平，连续辊轧式干嵌，从而保证极片的致密度和较高的制造效率。在电池生产线中，首先由送卷机构将网状集流体输送到布料装置中进行布料，这里通过控制送料电机的转速来实现布料的均匀性，同时传送带电机把布好料的网状集流体输送到加热装置中进行加热，最后由轧制电机进行滚压成型。

在锌空电池“干嵌法”生产中，对于送料电机、皮带传送电机、轧制电机的速度匹配控制有着很高的要求，在此，论文中提出了以ARM9 为核心元件的速度匹配控制系统的设计。该系统用传感器采集电池极片的厚度、致密度、主电机转速信号，通过信号调理后输入主控制器，主控制器经过模糊计算来控制三台伺服电机动作。

针对电机速度高精度匹配的要求，设计控制系统的总体方案如下：该系统选用交流伺服电机，以基于ARM9内核的S3C2410X芯片为主控核心来控制伺服电机的转动。该系统中有三台伺服电机，以其中一台伺服电机为主电机。设计时以主电机的转速为主速度，另外两台电机的转速根据主电机转速的变化而做出相应的要求动作。该系统利用PWM技术来控制伺服电机的转动，以S3C240X芯片主控制器，控制定时器输出PWM波形经伺服驱动器后驱动伺服电机动作。由光电码盘检测电机的转速并转换成脉冲信号反馈给主控制器与给定的主电机转速进行比较，经主控制器利用PID算法计算后控制PWM的占空比，从而达到精确控制电机的转速。主电机的转速是根据生产线的生产速度计算出来的，所以它的转速是确定的。

从电机的转速要根据主电机的转速来确定，所以先要计算出主电机和从电机之间的转速关系。首先通过计算可以得知主电机的转速，同时利用传感器检测电池极片的厚度、致密度以及主电机的速度等信号，并把这些信号输送到主控制器，然后主控制器通过模糊计算得出三台伺服电机间的速度关系，并把这个信息经过处理后送给从伺服电机，从而通过控制伺服电机的转速生产出符合要求的电池极片。该系统利用模糊数学的方法设计一个近似的控制规律，在运动中不断地修正电机的转速，最终使得电机按要求运转。

该系统是一个多路输入和多路输出的控制系统。多路输入包括电池极片的厚度、致密度以及主电机转速的检测数据。这其中，系统以电池极片的厚度、致密度、主电机的转速检测数据作为分析判断电池极片生产线中从电机转速的依据，决定两台从伺服电机转速的大小。

(2)张力控制[8]

通常的张力控制方法有手动，半自动和全自动方式。全自动张力检测控制系统是直接用压力传感器来检测材料张力，经控制器将信号放大，处理后直接控制磁粉制动器的激磁电流，也就是直接形成了张力闭环控制。

该论文通过叙述锌空电池生产线张力控制系统来描述锂电池生产线的张力控制。锌空电池生产系统采用全自动张力控制方式。由于系统有温度、湿度等多种待采集的信号，需要上位机有很高的抗电磁场干扰能力，选择工控机为控制核心。运动控制卡位下位机，可以同时实现几轴的插补运动，易于速度配合的实现。执行元件为伺服电机，张力控制仪为检测元件，还有A/D芯片、传感器等组成本控制系统。

该系统选用研华610H作为上位机，主频为500MHz，WindowsXP操作系统，PCI总线。用于可通过键盘、鼠标等输入设备向控制程序设定被控制量大小、精度等，也可提供程序需要的数据，系统开放、实时性强、可靠性高、环境适应性强、系统扩充性好、通讯能力强。

6.2 锂锰扣式电池生产线控制系统[9-10]

由于PLC具有控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等优点，能适应工业现场的恶劣环境，所以采用PLC作为生产线的主控制系统，能满足生产的需要。根据锂锰扣式电池生产线的具体情况, 选用Omron可编程控制器和扩展模块作为生产线的核心控制部分；采用PWS系列台达触摸屏，触摸屏和PLC之间通过RS-232C进行通讯。触摸屏用于按键输入、参数设置、监控画面显示以及故障原因显示等功能。在这个系统中，关键技术环节是料斗的控制，它是影响电池表面质量的一个关键因素；各道工序之间的协调一致，也是保证生产线正常工作的关键。

负极壳、正极片和正极盖均采用振动料斗进行自动上料。若正极片和正极盖在料斗中反复运动，则会损坏正极片和将正极盖划伤，因此在振动料斗的料道上增加了料满检测传感器,一旦料满则停止振动料斗；当料道上的料不满时，振动料斗开始振动。由于电池组件的尺寸非常小，给生产线的上料和输送带来了很大困难, 再加上某些工序可能会产生次品，中间还会有次品剔除的情况，电池组装生产线的4个工序之间很难做到完全同步。在生产线的输送线上安装了检测传感器，当输送线上的料较少(少于传感器的安装位置) 时，下一个工序的转盘就自动停止工作；当前面的料输送过来，超过了传感器的安装位置时，转盘自动开始转动，恢复工作。这样就可以保证某道工序的连续运行。在输送线上还装有堵料检测传感器, 一旦发生堵料现象，将进行报警并自动停车。

该生产线中执行元件和状态检测元件的种类和数量较多，是一个比较复杂的控制系统，论文中