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特普生:9款锂电池设备用温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-12-07 13 177

一、锂电设备概述


锂电池的生产工艺分为前、中、后三个阶段:前段目的是将原材料加工成为极片,核心工序为涂布;中段目的是将极片加工成为未激活电芯;后段则是检测封装,核心工序为化成、分容。

涂布、卷绕/叠片和化成分容设备价值量最高。按锂电池生产工艺来看,可分为极片制造(前道设备)、电芯组装(中道设备)、电芯激活检测和电池封装等(后道设备)。

前段的设备价值占比约40%,其中涂布机价值约占60%,辊压机价值高于分切机。三元材料对前段设备的性能要求更高,前段设备价值占比会逐步增加,预计未来前道设备价值量占比还将进一步提升。中道设备中卷绕机价值约占其成本的70%左右;后道设备中化成分容检测约占70%,组装约占30%。


“锂电行业维持高景气度,
  锂电设备企业充分受益。”

1)新能源汽车是动力锂电池未来增长主要引擎;由于3C消费类产品市场趋于饱和,消费锂电增速平稳。
2)受益于动力锂电行业高景气度,锂电设备需求旺盛。2020年,我国锂电设备市场规模达到267亿元,过去6年复合增长率达到36.66%。
3)随着新能源汽车渗透率加速提升,锂电产能瓶颈凸显。据测算,2025年动力锂电产能缺口约850GWh。在巨大产能缺口背景下,宁德时代、LG化学等老牌厂商加速产能扩张。据统计,宁能时代未来产能规划已经突破500GWh,LG化学突破250GWh。另外,新进入者如蜂巢新能源等,亦有庞大产能规划。下游电池厂商对设备高需求态势确定性强,将会给设备企业带来极高的业绩弹性。 
       不同工艺对设备影响不尽相同:不同正极材料,影响前道配方与设备高度定制化;不同封装方式,影响中道电芯堆叠工艺;无模组、刀片电池影响PACK装配环节工艺。




二、锂电设备

锂电生产按照锂电池生产工艺来看,可以分为极片制造(前道设备)、电芯组装(中道设备)、电芯激活检测和电池封装(后道设备)。 

前道工序主要包括:浆料搅拌、正负极涂布、辊压、分切、极片制作和模切;中道设备较前段更加强调个性化,对工序的精度、效率、一致性要求非常高。针对方形、圆柱、软包电池,中段设备会分别使用卷绕机或者叠片机;后道是电化学环节,主要包括电芯化成、分容、包装与终检电池组等,充放电机是化成分容中的重点设备,也是后段使用量最多的设备。再之后是Pack环节,即将电芯、保护板、电池线、电池镍片、电池辅料、电池盒、电池膜等通过焊接的方式组装成成品电池包。

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前道工艺

前段工序主要包括浆料搅拌、正负极涂布、辊压、分切、极片制作模切涂布是前道工艺的关键步骤,涂布机价值量相对较高。单前道设备价值量约0.6-0.8亿元/GWh,其中涂布机每台1200-3000万元不等,价值量占前道的比例达到60%-80%。


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(1)浆料搅拌:先使用锂电池真空搅拌机,在专用溶剂和黏结剂的作用下,混合粉末状的正负极活性物质,经过高速搅拌均匀后,制成完全没有气泡的浆状正负极物质。

(2)正负极涂布:将制成的浆料均匀涂覆在金属箔表面,烘干,分别制成正、负极极片。对于锂离子电池而言,涂布基片(薄膜)是金属箔,一般为铜箔或者铝箔。整个涂布过程就是从基片放入涂布机到涂布后的基片从涂布机中出来的若干连续工序。

(3)辊压:辊压机通过上下两辊相向运行产生的压力,对极片的涂布表面进行挤压加工,极片受到高压作用由原来蓬松状态变成密实状态的极片,辊压对能量密度的明显相当关键。

(4)分切:将辊压好的电极带按照不同电池型号,切成装配电池所需的长度和宽度,要求在切割时不出现毛刺。

影响锂电正极极片涂布性能的因素1、放卷和收卷直径;2、有效辊面宽度和最大涂布宽度;3、涂布方式与速度;4、涂层厚度与精度;5、纠偏精度;6、干燥温度。

一台涂布机设备如果在上述六个方面达到要求,就能够通过完整的工艺流程,取得很好的生产效果,为下一步制造出容量更高的锂电池打下基础。因为锂电池充电实际上是锂离子向正极运动的过程,正极材 料越好,则可以接受的锂离子就会越多,表现为锂电池的容量越大,电量越足。


中道工艺

中道工艺主要包括:电芯的卷绕/叠片和电芯注液,涉及的设备为卷绕机、叠片机、注液机。其中,卷绕/叠片是主要工艺,价值量占比较高,一台设备需要百万元,单线需要8-12台设备。

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(1)卷绕技术:卷绕技术是将原料按负极、分离器、正极、分离器的顺序堆放,并通过卷绕法,根据下游厂商需要进一步分为圆柱形卷绕和方形卷绕,然后放置在金属外壳中。

(2)叠片技术:在正、负极料盒中拾取极片,经过二次定位,交替将正、负极片放在叠片台上。隔膜主动放卷,叠片台带动隔膜左右往复移动形成Z字形叠绕。叠片完成后,按照设定长度切断,自动送出人工贴胶。最后通过注液机,将电解液注入卷绕或叠片后的电芯中。

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卷绕式电芯操作比较简便,无论是半自动或全自动都可以快速完成。叠片式工艺复杂程度较高,人工操作费时费力,自动化则由于设备问题而难以产业化。除此以外,在电芯的质量控制方面,卷绕式更容易控制,而叠片式由于工艺步骤繁琐,较难达到很好的一致性。

由于叠片电池的工艺特点,相比卷绕电池,叠片电池具有低内阻、高放电率、良好的放电平台、高容量密度、高能量密度、适用范围广泛、电池形状及厚度灵活等优势

总结:卷绕的优势在于制成容易,叠片的优势在于电池各方面质量好。卷绕式工艺生产的电芯在电化学性能上略差于叠片式,但优势在于自动化程度高,制成容易,适合大规模生产,因此市场上的方形电池,尤其是圆柱电池一般都是卷绕式工艺生产。

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叠片机用于软包电芯生产,能实现高于圆柱和方形电池的性能和安全性。叠片机是将正极片、隔膜、负极极片按照顺序叠合成小电芯单体,然后将小电芯单体叠放并联起来组成大电芯。

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目前主流叠片机有四类:(1)Z字型叠片机:Z字型叠片机和切叠一体机本质上都是Z字型叠片机,生产厂家有先导智能、赢合科技、超业精密、中天和自动化等。Z字型叠片机正逐渐被切叠一体机取代。(2)切叠一体机:切叠一体机是将极片模切/激光切和Z字型叠片机、贴胶热压机整合到一起。相当于正负极卷和隔膜同时收放,经过渡棍和张力纠偏棍。然后正负极片冲切/激光切出极耳和极片,随后跟隔膜一起,在主叠片台或摆杆作用下,呈Z字型折叠。当叠放至设定片数后,隔膜裁切贴胶,再热压成电芯。(3)热复合叠片一体机:比Z字型叠片多热复合和辊压等工序,相对而言,技术难度更高,后期注液等工序难度更大。

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热复合叠片一体机同时集成制片、叠片、热压一体,高效节能省空间。更适用于极片尺寸长的,制作像590型号以上的高能量密度大电芯,顺应电芯越做越大和能密度越来越高的趋势。

切叠一体机本质上也是Z字型叠片机,是将极片模切/激光切和Z字型叠片机、贴胶热压机整合到一起。即,传统Z字型叠片机使用的是已模切完成的正负极片,而切叠一体机则将未模切的正负极卷和隔膜同时收放,经过渡棍和张力纠偏棍,然后正负极片冲切出极耳和极片,随后跟隔膜一起,在主叠片台或摆杆作用下,呈Z字型折叠。当叠放至设定片数后,隔膜裁切贴胶,再热压成电芯。

相较传统Z字型叠片机,切叠一体机效率高,且效果良好,避免了传统单、双工位叠片机的掉粉、吸多片等问题,已经被国内头部软包动力电池企业使用。国内生产Z字型叠片机和切叠一体机的主要企业有:先导智能、赢合科技、超业精密、中天和自动化。

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热复合叠片一体机是近几年随电池工艺变更,新研发的机型。热复合叠片机的工艺是带极耳的极片卷与隔膜料卷同时收放,经过张力纠偏后,进行热复合。在热复合前,正负极片先裁切成单元,放置在上下双层隔膜上。随后经烘箱,在设定好的温度下烘烤。烘烤后的正负极片与隔膜热复合,随后经辊压,裁切成复合单元。然后有机械手将其转移至叠片台进行叠片。

热复合叠片机集成制片、叠片、热压一体,高效节能省空间,但其工艺还不太成熟,热复合叠片一体机设备依旧受各种制约,并且热复合叠片机生产的电芯后期注液等工序难度更大。目前生产热复合叠片一体机的厂商有吉阳智能。

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卷叠一体机先将正负极片裁切成单元,并通过对转台与升降吸盘的设置,分别贴在隔膜上。然后用卷绕的方式,包括正负极片分别包裹起来,实现两组正负极片相间叠放。卷叠一体机的速度和效率是目前最高的,但卷叠一体机生产的电芯存在边缘曲率,有死角。其设计涉及国外日韩专利,主要是国外。


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目前各种工艺均存在问题,如效率节拍配合、层叠良率保障、精度纠偏控制、料盒成本、工艺繁复等。

叠片设备面临的问题:

(1)叠片设备的效率问题:在叠片电工艺中,电芯是由许多个负极-隔膜-正极单元(ESC)组成的,每个单元的组装时间可以分解为正极抓取-放置,隔膜移动折叠,负极抓取-放置三个部分。卷绕组装工艺没有离散的极片抓取-放置动作,整个过程是连续性的,生产效率比较高。

要提高叠片效率,第一个方法就是提高叠片的整体平均速度。例如增加极片抓取-放置动作的加速度,隔膜左右移动速度等。但是,机械系统速度太快会损伤极片表面,极片放置精度也会降低。第二个方法是科学合理设计机械部件,减少机械手的运动距离,但是通过机械结构设计降低运动距离的能力有限。

(2)叠片设备产生的毛刺和粉尘问题在:在软包电池模切和叠片工艺过程中,产生的毛刺和粉尘容易造成电池短路,造成极大的电池安全隐患。极片毛刺是指极片冲切所产生的断面基材拉伸、弯曲。

在模切和叠片工序中控制冲切时的毛刺大小,减少冲切时产生的粉尘,以及在极片转运过程中避免毛刺的产生,已成为这两个工序目前面临的最主要的难题。

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卷绕机是将大面积片状的物质按照一定的方法卷成卷,如纺织卷绕机、电容器卷绕机、薄膜电阻卷绕机电池卷绕机等。

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锂离子电池卷绕机是用来卷绕锂离子电池电芯的,其组成部分包括机架、卷绕装置、极片供给装置、辅助压板及切断装置、胶带供给装置、电器控制部分。卷绕机有正、负极送料单元,将正负极卷绕在一起的部分叫卷针。

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道工艺


包括电芯卷绕/叠片、入壳、烘干、注液、封口等工艺。后道工艺中,化成、分容是主要工艺,价值量占比较高,一台设备需要3000万元左右,单线需要3-4万个通道。

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化成的作用:1)使电池中的活性物质借助于第一次充电转化成具有正常电化学作用的物质;2)使电极主要是负极表面生成有效的钝化膜或SEI膜。影响化成的因素有化成电流、SOC、老化时间及温度等,还需考虑电池材料体系和产能要求。因此,化成不仅是简单的充放电过程,而是综合衡量不同参数对电池性能的影响,需要采用仪器设备进行大量精准的数据测试并研究验证。

分容的作用:分容则是对化成完的电池进行充放电,不同类型电池的充放电电流略有差异,以便统计电池的容量、充电恒流比、放电平台电压、内阻等进行区分,筛选出指标相同的单体以便分档配组,只有性能很接近的才能组成电池组。另一方面,单体电池的一致性差也可能会导致电池组安全性降低。

因此,电池制造过程中的化成分容是一个耗时的过程,涉及多次充电和放电以激活电池的化学性质,对于确保动力电池组的一致性、安全性和较长周期寿命的高质量来说尤为关键。

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三、锂电设备市场现状

我国锂电池装备国产化已达到80%以上。锂电设备国产化率较高,竞争优势显著。其中,中后端设备技术壁垒较低,国产设备已达国际先进水平;前端设备对整条生产线质量有重要影响,技术相对要求高,核心设备正向高端化发展,部分已经达到或接近国际先进水平,且价格方面优势明显。在规模不断扩大的同时,国产锂电生产设备的技术精度、自动化程度大幅提高。


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四、锂电设备用温度传感器

锂电池后端检测设备,有两个工序。化成工序,通过首次充电激活,使负极表面生成有效的钝化膜或SEI膜,需要化成设备。分容工序,将电芯按照设计标准进行再一次完整的充电及放电,需要分容设备。


温度的控制,在锂电池检测中,会对电池的容量、内阻、安全等特性产生重要影响:

1.对电池材料理化特性产生影响(原材料存储)。

2.对电池加工参数产生影响(电极烘烤、隔膜收缩、注浆涂布)。

3.对化成工艺产品影响。

4.对电池老化、分容及存储过程产生影响。


于是,特普生研制了9款匹配锂电池后端检测设备的温度传感器,本文挑选其中3款阐述。


1.

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材料:金属探头,镀银线,感温元件 

使用温度范围:-40℃~125℃-40℃~150℃

输出信号:模拟信号

产品优势:常用于环境探测,特殊处理的外壳耐腐蚀、耐磨,产品结构三线制可抵消线阻影响,测温更准确。


2.

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材料:防腐金属探头、 四芯镀银线  1/3B高精度PT元件 

使用温度范围:-40℃~125℃  -40℃~150℃

输出信号:模拟信号

产品优势:四线制结构,可确保超高精度的温度测量


3.

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材料:耐高温可伸缩防腐外壳、镀银线  感温元件(热电偶、PT铂电阻、NTC元件)

使用温度范围:-40℃~125℃-40℃~150℃

输出信号: 模拟信号

产品优势:电池检测设备用,独特的双弹簧结构,两段式弹簧伸缩,安装更方便

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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