软包电芯工艺流程图

一、电芯设计

电芯设计是指将正极材料、负极材料、电解液、隔膜、正负极集流体以一定的比例和工艺组装起来，以满足某种特定的电性能需求。这个过程需要设计者掌握各种材料的特点，具备丰富的电化学知识，并具备统筹全局的思维逻辑。

1.1 明确设计需求

• 需要明确电芯的使用场景，如消费类电池、储能电池还是动力电池，应用的场景条件，如无人机、矿卡、汽车、轮船等。

• 确定电芯的基本参数，如容量、循环性能、倍率性能、高低温性能、能量密度、安全性等。

1.2 选择材料

• 正极材料：决定了电芯的能量密度。常用的正极材料有钴酸锂（用于消费类电池）、三元材料（如NCM，用于动力电池）和磷酸铁锂（用于动力电池，成本较低，安全性好）。

• 负极材料：常用的负极材料有人造石墨，也可以掺硅或使用钛酸锂、硬碳等。负极材料的选择会影响电芯的能量密度、循环寿命和快充能力。

• 电解液：在电池正负极间起着离子导电、电子绝缘的作用。电解液的性质对电池的循环寿命、工作温度范围、充放电效率、电池的安全性及功率密度等性能有重要影响。

• 隔膜：用于隔离正负极，防止电池内部短路。

• 集流体：承载活性物质，并将电极活性物质产生的电流汇集并输出。常用的集流体材料有铜、铝、镍和不锈钢等。

1.3 设计结构

• 根据材料的特点和电芯的需求，设计电芯的结构，如卷绕式或叠片式。

• 确定电芯的尺寸和形状，以满足使用场景的需求。

1.4 优化性能

• 通过调整材料的配比、优化工艺参数等方式，提高电芯的能量密度、循环寿命和安全性。

• 对电芯进行仿真分析和测试验证，以确保其性能满足设计要求。

1.5 电芯设计的关键参数

• 能量密度：电芯单位体积或单位重量所能储存的能量。提高能量密度是电芯设计的重要目标之一。

• 循环寿命：电芯在特定条件下能够充放电的次数。循环寿命的长短直接影响电池的使用寿命和成本。

• 安全性：电芯在各种条件下的稳定性和可靠性。安全性是电芯设计的首要考虑因素之一。

二、极片制作

2.1 浆料搅拌

• 将正/负极活性物质、导电剂、粘接剂按比例均匀分散在溶剂中并搅拌，形成具有一定粘度的稳定浆料。

• 浆料搅拌的均匀性对后续涂布和电芯性能有重要影响。

2.2 极片涂布

• 将搅拌均匀的浆料涂覆在铜/铝金属箔集流体上。

• 涂布工艺包括传统湿法涂布和干法涂布两种：

湿法涂布：将浆料涂覆在集流体上后，送入干燥箱中蒸发溶剂，并对溶剂进行回收。

干法涂布：将活性颗粒、导电剂和进行干混均匀后加入粘接剂，在粘接剂原纤化作用下形成自支撑膜，然后辊压覆盖在集流体表面。

• 涂布均匀性：确保浆料在集流体上均匀分布，避免出现涂布不均、漏涂等现象。

• 涂布精度：控制涂布厚度和宽度，以满足电芯设计的要求。

2.3 极片辊压

• 将涂布后的极片置于辊压机的双辊下，通过挤压极片实现理想的厚度及界面一致性。

• 辊压工艺可以提高极片的压实密度，从而提高电芯的能量密度。

• 辊压压力：选择合适的辊压压力，以确保极片达到理想的厚度和压实密度。

• 辊压速度：控制辊压速度，以避免极片过热、变形或损伤。

2.4 极片分切

• 将经辊压后的宽极片纵切成窄极片。

• 分切工艺对极片的宽度一致性、断面毛刺大小及形貌特征有严格要求，这些都会影响电芯的卷绕或叠片质量。

• 分切精度：确保极片的宽度一致性和断面毛刺大小符合要求。

• 分切速度：与材料的延展性相匹配，避免材料损伤

2.5 工艺优化方向

• 提高涂布均匀性：采用先进的涂布设备和工艺，提高涂布均匀性，降低电芯的性能波动。

• 降低辊压成本：优化辊压工艺和设备，提高辊压效率，降低辊压成本。

• 提升分切质量：采用高精度的分切设备和工艺，提升分切质量，确保电芯的一致性和安全性。

• 推动工艺创新：不断探索和尝试新的极片工艺和技术，如干法工艺等，以降低成本、提高能量密度和安全性。

三、电芯组装

3.1 叠片&卷绕

• 叠片工艺：将电池隔离膜、正极片、负极片按照一定顺序和方式层叠在一起，形成电芯的结构。这种工艺主要适用于软包电池的生产，具有能量密度高、尺寸结构容易控制、制造工艺灵活等优点。叠放过程中需要严格控制极片和隔膜的对齐度、层数以及叠放的压力等参数，以确保电芯内部结构的均匀性和稳定性。叠片方式有多种，如Z字形叠片、切叠一体机等，不同的叠片机设备有不同的叠片方式和特点。

• 卷绕工艺：将电池的正极片、负极片和隔膜按一定顺序卷绕成圆柱体或方形电芯的结构，卷绕过程中需要控制卷绕速度、张力等参数。这种工艺主要适用于大型电池如电动汽车的电池制造，具有生产效率高、成本低等优点。

 • 叠片&卷绕优劣对比：

  • 叠片工艺能量密度较高，可以充分利用电池的边角空间；卷绕工艺能量密度相对较低，因为卷绕过程中会浪费一些空间。

  • 叠片工艺结构稳定性较好，不存在“C角”问题，循环寿命长；卷绕工艺较差，因为卷绕过程中极片和隔膜可能会发生弯曲。

  • 叠片工艺安全性较高，因为散热效果好且内部结构稳定；卷绕工艺相对较低，因为卷绕电芯的“C角”位置容易发生变形和扭曲。

  • 叠片工艺生产效率相对较低，因为叠片过程需要精确控制；卷绕工艺生产效率较高，因为卷绕速度可以很快。

  • 叠片工艺成本相对较高，因为叠片设备和工艺相对复杂；卷绕工艺相对较低，因为卷绕设备和工艺相对简单。

3.2 极耳焊接

将电芯的正负极片和极耳通过焊接方式连接在一起，以实现电芯内部电流的导通和电池结构的稳定。这一工艺对于电池的性能、安全性和使用寿命具有重要影响。

• 清洁处理：对软包电芯的极耳和焊接区域进行彻底清洁，去除油污、水分和杂质，确保焊接面的干净和干燥。这有助于减少焊接过程中的缺陷，提高焊接质量。

• 极耳定位：将极耳按照设计要求精确定位在叠片上，确保极耳之间的间隙适中，避免过大或过小的间隙影响焊接效果。

• 焊接方式：选择合适的焊接方式，如激光焊接、超声波焊接等，并准备好相应的夹具、模具和保护片等辅助工具。

  •激光焊接：激光焊接是一种高精度、高效率的焊接方式，适用于软包电芯极耳的焊接。焊接过程中，激光束聚焦于极耳焊接区域，产生高温使极耳材料熔化并连接在一起。激光焊接具有能量集中、焊接速度快、焊缝深宽比大等优点，可实现高质量的焊接。

  •超声波焊接：超声波焊接利用高频振动产生的能量来熔化极耳材料并实现连接。焊接过程中，焊头在预设参数下快速接近并接触软包电芯的外层铝塑膜和极耳，通过高频振动产生局部高温和高压，使材料软化并相互融合。超声波焊接具有焊接强度高、密封性好、操作安全等优点，适用于不同规格和材质的软包电芯极耳焊接。

四、封装

4.1 铝塑膜成型

软包电芯可以根据客户的需求设计成不同的尺寸，当外形尺寸设计好后，就需要开具相应的模具，使铝塑膜成型。成型工序也叫冲坑。顾名思义，就是用成型模具在加热的情况下，在铝塑膜上冲出一个能够装卷芯的坑。铝塑膜冲好并裁剪成型后，一般称为Pocket袋。

在电芯较薄的时候选择冲单坑，在电芯较厚的时候选择冲双坑，因为一边的变形量太大会突破铝塑膜的变形极限而导致破裂。有时候根据设计的需要，会在气袋的位置再冲一个小坑，以扩大气袋的体积。

4.2 顶侧封

首先要把焊接好的极片放到冲好的坑里，然后沿虚线位置将包装膜对折。接下来，把卷芯放到坑中之后，就把整个铝塑膜可以放到夹具中，在顶侧封机里进行顶封与侧封。顶侧封机一般带有多个夹具，左边工位是顶封，右边工位是侧封。两块黄色的金属是上封头，下面还有一个下封头，封装的时候两个封头带有一定的温度（一般在180℃左右），合拢时压在铝塑膜上，铝塑膜的PP层就熔化然后黏结在一起了，这样就封装OK了。

其中，顶封可是要封住极耳的，极耳是金属（正极铝，负极镍），得靠极耳上的一个小部件——极耳胶来完成封装。封装时，极耳胶中的PP与铝塑膜的PP层熔化黏结，形成了有效的封装结构。

4.3 气袋预留

封装时，铝塑膜还会留有余量，这部分称为气袋。这是因为电芯在化成过程中会产生大量的气体，这部分气体会随着气袋在后续工序中一并去除。

五、化成与老化

• 注液：向封装后的电芯中注入电解液。电解液的作用是为电池中离子的传输提供载体。

• 化成：对新电池进行第一次充电激活。电解液在电极表面发生反应，产生气体，并形成致密的固态电解质界面膜（SEI）。化成过程的好坏直接决定了电池的质量。

• 老化：也称陈化，是电池经过化成后的一个放置过程。在此过程中，电池的性能会逐渐稳定下来。

六、排气与二封

• 排气：化成过程中产生的气体会影响电池的性能，因此化成后的电池需要进行排气处理。排气时，会刺破气袋并抽出其中的气体和一小部分电解液。

• 二封：排气完成后，会进行第二次封装（二封），以保证电芯的气密性。二封的原理与顶侧封相同，都是通过熔化铝塑膜的PP层来进行封装。

七、后续处理

• 裁边与折边：将一封边与二封边裁到合适的宽度并折叠起来，以保证电芯的宽度不超标。

• 分容测试：对电芯进行容量测试，看电芯的容量有没有达到规定的最小值。原则上来说，所有的电芯出厂之前都需要做分容测试。

• 外观检查与贴标：对电芯的外观进行检查，确保无瑕疵后贴上标签。

• 包装出货：将经过测试的电池进行适当的包装，以保护电池在运输和存储过程中的安全，然后进行出货。