【E課堂】解密18650電芯生產(chǎn)全過程

　　鋰電池是目前數(shù)碼領(lǐng)域使用最多的電池。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高，適用于非常注重體積、便攜的數(shù)碼產(chǎn)品。同時(shí)，相對于以往的干電池，鋰離子電池可以循環(huán)利用，在環(huán)保方面也有優(yōu)勢。鋰離子電池的正負(fù)極材料都可以吸收、釋放鋰離子。但是鋰離子在正極和負(fù)極中的化學(xué)勢能有所不同。負(fù)極中的鋰離子化學(xué)勢能高，正極中的鋰離子化學(xué)勢能低。鋰離子放電時(shí)，負(fù)極中存儲的鋰離子釋放出來，被正極所吸收。由于負(fù)極中鋰離子的化學(xué)勢能高于正極，這部分勢能差就以電能的形式釋放出來。充電過程則是上述過程的逆轉(zhuǎn)，將正極中的鋰離子釋放到負(fù)極中。由于這種鋰離子在正負(fù)極中的來回遷移，鋰離子電池又被稱為搖椅電池。

　　18650是目前最常見的鋰電封裝方式，無論是當(dāng)下最流行的三元材料，還是國家力推的磷酸鐵鋰，以及尚未普及的鈦酸鋰，均有18650的規(guī)格。18650型電芯，采用Cylindrical圓柱形封裝方式，這種電芯直徑18mm，長度65mm，廣泛應(yīng)用于充電寶、電動車、筆記本、強(qiáng)光手電筒等領(lǐng)域，這類封裝的好處是規(guī)格統(tǒng)一，方便自動化、規(guī)模化生產(chǎn)，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊性強(qiáng)、良品率高等特點(diǎn);此外還有Prismatic方形軟包封裝，常見于手機(jī)和平板電腦，這類封裝最直接的好處是輕薄，體積小，便攜。

　　在筆記本電腦時(shí)代，18650電芯還只是數(shù)碼產(chǎn)品的幕后英雄。隨著智能手機(jī)和平板等智能設(shè)備的普及，移動電源成為了人們出行必不可少的裝備，18650也得以開始從幕后走向前臺，被大眾所熟知。那么，看似簡單的18650電芯是如何誕生?它有什么秘密呢?接下來，讓我們一起去探索它的誕生過程。近日筆者有幸進(jìn)入東莞一家電芯廠拜訪學(xué)習(xí)，將從涂布、組裝、測試三方面圖文并茂，為大家介紹18650電芯的誕生過程。

　　電芯的生產(chǎn)過程一：涂布

　　進(jìn)入生產(chǎn)車間之前，需要戴上口罩和鞋套，避免吸入粉塵和產(chǎn)生靜電。首先從涂布工藝了解起，這道工序中可以看到大卷的銅箔(黃色)和鋁箔(銀色)。鋁箔，是用來涂布鎳鈷錳NCM三元材料;反之，銅箔是用來涂布負(fù)極活性材料石墨;其中白色的為隔膜。全球鋰電池隔膜主要被Asahi、Celgard、SK、toray、W-SCOP等廠商占據(jù)，這些國外企業(yè)把持了近70%的市場份額。而中國隔膜企業(yè)所占的市場份額約30%，鋰電池隔膜自主國產(chǎn)化正在不斷突破。電芯的容量，是根據(jù)這些配方的調(diào)配比例面積得來。

　　一整卷涂布完成的正負(fù)極材料寬約126mm，接下來還需要裁剪成寬度約18mm的7小卷，每卷都會均勻分成若干段，每一段代表一顆電芯所需的用料。據(jù)電芯廠工程師徐工介紹，目前三元正極材料每噸售價(jià)為12萬元，每噸材料可以用于生產(chǎn)5萬只電芯;當(dāng)前電芯產(chǎn)能日均50萬只，需要用到10噸三元正極材料，光這一項(xiàng)開支每日就需要60萬元。

　　自動化的機(jī)器將每段打上鎳帶和絕緣耐高溫的麥拉片(Mylar)，下一步進(jìn)行5個級別的稱重，分別是偏重、A1、A2、A3、偏輕。這個跟CPU晶圓挑選一樣，同一批切割工藝，也會出現(xiàn)不同體質(zhì)，根據(jù)不同體質(zhì)再分出對應(yīng)容量，配對出貨。

　　電芯的生產(chǎn)過程二：組裝

　　這家電芯廠分為三棟樓，其中一棟三層是生產(chǎn)線，另外兩棟是辦公室和宿舍。生產(chǎn)線一樓涂布、二樓組裝、三樓測試。參觀完一樓后，進(jìn)入二樓的組裝環(huán)節(jié)。

　　分類好的正極和負(fù)極，將在這里完成全自動卷包，白色的材質(zhì)是隔膜。電芯這樣還不能正常工作，需要加入電解液作為媒介，讓正負(fù)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鋰離子才能夠在正負(fù)極之間遷移，產(chǎn)生電荷離子輸出能量鋰電池才能進(jìn)行充放電。自動化卷包好后直接滾落在了流水線上，進(jìn)入下一個組裝步驟裝入鋼殼。

　　鋼殼是一體沖壓成型，厚度不足1mm，因此對鋼材強(qiáng)度質(zhì)量要求很高，這家電芯廠選用的是進(jìn)口韓鋼材料。

　　這一步將負(fù)極極耳與鋼殼底部通過點(diǎn)焊的方式連接。該廠采用了日系Miyachi激光點(diǎn)焊機(jī)，確保了點(diǎn)焊精度和產(chǎn)品質(zhì)量。點(diǎn)焊機(jī)無法焊接鋼殼底部，組裝小妹的手中有一個銅釘，先從預(yù)留的小洞插入底部，然后放入點(diǎn)焊機(jī)，咔嚓一下，負(fù)極就打好鎳帶與鋼殼底部連接好了。

　　電解液在密封箱充滿惰性氣體氬氣的手套箱中內(nèi)注入，密封箱手套內(nèi)氧氣濃度必須低于10ppm(接近無氧真空環(huán)境)，防止電極氧化。電解液氬氣通過循環(huán)凈化裝置輸入密封箱， 裝置里頭有催化劑和還原劑氫氣，通過氫氧反應(yīng)生成水可以把氧氣除去。同時(shí)，裝置中的干燥劑吸收水分，保證箱內(nèi)氣氛的干燥。

　　注入電解液后的電芯，已經(jīng)通過激光焊接將蓋帽與鋼殼連為一體。一排排整齊有序的堆放著，整裝待發(fā)。

　　一只新的電芯就這樣誕生了。每一只電芯都需要穿上按容量分類的“新衣服”PVC套管。

　　不同的容量對應(yīng)了不同的PVC封套，這里我們看到了綠、藍(lán)、粉等多個色，豐富的外觀顏色增添了電芯時(shí)尚感。

　　電芯的生產(chǎn)過程三：首次充電和測試

　　電芯在注入電解液后，實(shí)際上還沒有存上電，而且此時(shí)正負(fù)極表面的狀態(tài)也沒有達(dá)到穩(wěn)定，必須通過首次充電才能夠正常使用，這種首次充電稱之為“化成”。首次充電時(shí)需要充入額外的電量，用來在電極表面產(chǎn)生保護(hù)膜，這層保護(hù)膜正是鋰離子電池低自放電的奧秘所在。同時(shí)，保護(hù)膜的性質(zhì)也影響電池的性能和壽命。因此，化成工藝十分重要?；刹捎梅秩莨裢瓿?。

　　電芯是化學(xué)品，為了保障使用安全和壽命，在出廠前需要做好配對按盒分裝，每盒200只。確保三個一致性：容量一致、內(nèi)阻一致、電壓一致。如此方能正常出廠，否則把被打入冷宮，淪為B級、C級電芯。

　　第一個測試，容量。為了確保容量測試的準(zhǔn)確性，該廠采購了行業(yè)領(lǐng)先的貝爾全自動分容柜，滿足每日上萬只的分容需求。新誕生的電芯，需要做5個循環(huán)老化測試，把不能工作或者容量有偏差的挑選出來。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18287-2013《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》，按照0.2C充放電測試。以合適的電流充電至4.20V截止(高壓版本需要充到4.30V或4.35V)，靜置一段時(shí)間(15min以上)使電池溫度接近室溫且電池內(nèi)極化基本消散。測試采用0.2C放電至2.75V終止電壓，達(dá)到所標(biāo)注的容量，才算合格。這里的C是一個倍率單位，以2600mAh電芯放電為例，0.2C則為520mA放電。

　　第二個測試，內(nèi)阻。現(xiàn)在電芯廠都配有內(nèi)阻自動篩選機(jī)器，可流水線篩選。18650三元材料，內(nèi)阻在70毫歐以內(nèi)，都算合格品;低于30毫歐的算是特挑極品了。如果是磷酸鐵鋰或者鈦酸鋰，內(nèi)阻能做到20毫歐以內(nèi)。

　　第三個測試，電壓。同一裝箱里面的電芯電壓3.7V±0.05，方便多節(jié)并聯(lián)或者串聯(lián)使用下，整箱抽出使用。每一箱的電芯都做過三個一致性配對，因此不推薦跨箱使用，這也是國際上通用的方法。

　　除了一致性測試，每一個批次的電芯還需要抽查完成撞擊、震動、穿刺等數(shù)十項(xiàng)破壞性測試，杜絕隱患，確保每一個批次品質(zhì)最佳。

　　在此次工廠拜訪學(xué)習(xí)即將結(jié)束時(shí)，為了能近距離的了解電芯的安全結(jié)構(gòu)，筆者將剖析一支全新的18650電芯，一探內(nèi)部究竟。18650電芯在內(nèi)部硬件設(shè)計(jì)有兩重保護(hù)，分別是CID(Current Interrupt Device)泄壓安全閥和PTC(Positive Temperature Coefficient)熱敏電阻。其中安全閥是每一顆18650電芯的標(biāo)配，也是最重要的一道防爆屏障，沒有之一。

　　CID和PTC的工作原理：當(dāng)電芯內(nèi)部溫度異常，由于過充電、短路等原因產(chǎn)生大量氣體，氣壓升高到1.0-1.2Mpa時(shí)，安全閥上的碗型鋁片會向上彈起，與下面的鋁片脫離接觸，使電路立即斷開，若是壓力繼續(xù)上升，安全閥將破裂，開啟排除內(nèi)部氣體使內(nèi)部壓力釋放出來，避免壓力過高造成爆炸。而Prismatic方形軟包封裝的電芯，內(nèi)部氣壓升高時(shí)，最常見的是“懷孕”鼓包現(xiàn)象。其次PTC熱敏電阻，當(dāng)電池輸入輸出電流過高時(shí)，PTC會發(fā)熱升溫，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，PTC電阻會突然增大，切斷外界電流輸入電芯或阻止電芯內(nèi)部電流輸出，讓電芯停止工作。除了以上兩者外，電池還有不為人知的第三道防線——隔膜。當(dāng)電池升溫到160攝氏度以上時(shí)，隔膜中的微孔會閉合，使正負(fù)極被物理隔離，電池自然不會再輸出電流。

　　既然18650電芯本身是如此安全，為何移動電源起火事故依然不算罕見呢?奧秘就在移動電源本身。移動電源的外殼等組件往往常用到塑料。塑料本身是易燃物，遇到高溫可以自燃。合格移動電源的USB輸出有短路保護(hù)，所以當(dāng)輸出被短路時(shí)不會有大電流通過。但是移動電源內(nèi)部還有從18650到電路板的鎳片或者導(dǎo)線等連接。若是這部分不幸短路了，那么輸出短路保護(hù)是完全無能為力的。而18650電芯本身的PTC只是在電池本身過熱之前能夠切斷電池的電流，由于電池的熱容量很可觀，升溫沒有那么快，或許在導(dǎo)線、鎳片都燒紅的情況下，電池還沒有熱到切斷輸出。這樣燒紅的鎳片和外殼的塑料接觸，發(fā)生火災(zāi)也就在所難免了。

　　合格的移動電源往往對18650到電路板的導(dǎo)體進(jìn)行多重絕緣，且所用的絕緣體是耐高溫300度的高溫聚酰亞胺膠帶(麥拉片)和阻燃的青稞紙。同時(shí)這段導(dǎo)體有適當(dāng)?shù)墓潭ㄔO(shè)計(jì)，防止機(jī)械沖擊下導(dǎo)體移動或變形。從而最大限度的保證短路不會發(fā)生。但是山寨移動電源就隨意的多，要么沒有絕緣，要么就是絕緣不充分。特別是18650頭部，由于此處有裸露的負(fù)極和絕緣外皮包裹的負(fù)極。同時(shí)正極鎳片也經(jīng)過這里，若是不額外增加絕緣保護(hù)，正極鎳片邊緣一旦劃破外皮，就會立即造成短路。而山寨移動電源往往內(nèi)部電池固定不好，電池晃來晃去，鎳片也彎來彎去的，這種概率更大了。

　　到此，一只18650電芯的誕生過程介紹完畢，隨著工廠門口等待裝箱的貨車，他們將運(yùn)往全國各地。即將開啟一段新的奇幻之旅，化作充電寶來到你的手中。