Электромобили и устройства хранения энергии, которыми мы пользуемся ежедневно, используют литий-ионные аккумуляторные элементы. Емкость, срок службы, безопасность и водонепроницаемость/взрывостойкость этих элементов зависят от процесса упаковки. Если нанесение покрытия на электроды и намотка — это как “построение каркаса и заполнение его косточек”, то упаковка элемента — это как надеть защитный костюм, загерметизировать и придать ему форму, обеспечив тем самым базовый уровень безопасности. Точность и стабильность процесса упаковки напрямую определяют, сможет ли элемент превратиться в безопасный и пригодный для использования готовый аккумулятор.
I. Что такое упаковка аккумуляторных элементов? Какова её основная функция?
Проще говоря, упаковка аккумуляторного элемента — это весь процесс, начинающийся с того, что чистый аккумуляторный элемент, намотанный/сложенный, помещается в корпус, герметизируется, впрыскивается электролит, активируется, снова герметизируется, тестируется и формируется, в конечном итоге создавая герметичный, изолированный, безопасный и стабильный готовый аккумуляторный элемент, способный накапливать и разряжать энергию.
В отличие от простого “упаковочного” подхода, который обычно воспринимается как таковой, упаковка литий-ионных батарей — это высокоточный процесс, выполняющий четыре основные функции:
Изоляция и защита: изолирует батарею от воздуха, влаги и пыли, предотвращая окисление электродов и разрушение электролита, а также исключая вздутие элементов и протечки.
Изоляция и взрывозащита: обеспечивают надежное соединение контактов и структуры ячеек, предотвращая внутренние короткие замыкания, сжатие и проколы, тем самым повышая безопасность батареи.
Блокировка электролита: Полностью герметичная полость удерживает электролит, обеспечивая нормальный перенос ионов лития и определяя срок службы батареи.
Формирование и адаптация: Стандартизация размера и формы ячеек для удовлетворения потребностей сборки мобильных телефонов, электромобилей и устройств хранения энергии.
В настоящее время в отрасли преобладают три основных направления: мягкая упаковка, жесткая цилиндрическая упаковка и жесткая призматическая упаковка. Среди них мягкая и жесткая призматическая упаковка являются основными технологиями для бытовой электроники и аккумуляторных батарей.
II. Три основных типа упаковки: преимущества и недостатки вкратце.
1. Упаковка в виде мягких ячеек (алюминиево-пластиковая пленка)
В качестве внешней оболочки используется композитная пленка из алюминия и пластика. Это распространенное решение для мобильных телефонов, планшетов, Bluetooth-гарнитур и небольших аккумуляторных батарей.
Преимущества: лёгкий и тонкий, высокая плотность энергии, гибкая конструкция.
Недостатки: низкая прочность корпуса, плохая устойчивость к сжатию, чрезвычайно высокие требования к точности герметизации и сложность процесса массового производства.
2. Призматическая жесткая упаковка (алюминиевый/стальной корпус)
Этот корпус из алюминиевого сплава или стали является ключевым решением для аккумуляторных батарей электромобилей и крупных накопителей энергии. Он обладает стабильной конструкцией и подходит для модульной сборки.
Преимущества: Прочная конструкция, ударопрочность, хорошее рассеивание тепла, подходит для последовательной и параллельной интеграции модулей, а также высокая стабильность срока службы.
Недостатки: Относительно тяжёлый, несколько более низкая плотность энергии.
3. Цилиндрическая жесткая упаковка
В классических моделях аккумуляторов 18650 и 21700 используется именно этот процесс. Он отличается высокой степенью стандартизации и в основном применяется в портативных зарядных устройствах и электроинструментах.
Преимущества: стандартизированное массовое производство, высокая стабильность качества, низкая стоимость.
Недостатки: Ограниченная вместимость модулей, низкая эффективность использования пространства при модульной сборке.
III. Полный процесс упаковки аккумуляторных элементов (стандартная отраслевая процедура)
Многие ошибочно полагают, что упаковка включает в себя только этап “запечатывания”. В действительности, полная упаковка представляет собой непрерывную и точную цепочку процессов, от предварительной обработки до окончательной проверки, причем каждый этап взаимосвязан. Дефект на любом этапе может привести к браку аккумуляторной батареи.
Шаг 1: Предварительная обработка и сортировка элементов питания (фундаментальная подготовка к упаковке)
После намотки/складывания, несъемные аккумуляторные элементы не упаковываются напрямую; для улучшения качества требуется предварительная обработка: сначала контакты формируются, обрезаются и очищаются от пыли для обеспечения надлежащей длины и плоскостности, удаляя остатки пыли и заусенцев, оставшиеся после производственного процесса, чтобы предотвратить короткие замыкания в дальнейшем. Затем с помощью высокоточного оборудования производится сортировка по емкости, классифицируя элементы по внутреннему сопротивлению, напряжению и параметрам емкости для обеспечения однородности в пределах одной партии, что закладывает основу для последующей последовательной и параллельной сборки. Наконец, высокотемпературная термообработка полностью удаляет остаточную влагу из аккумуляторного элемента, предотвращая последующее расширение газа и проблемы с утечкой.
Шаг 2: Размещение/обертывание (формирование ячеек)
Это “этап формования” упаковки, и процедура различается в зависимости от процесса:
Для элементов в мягкой упаковке: элемент без упаковки точно помещается в предварительно сформированный пакет из алюминиево-пластиковой пленки, точно выравнивается по выступам, и предусмотрен стандартный порт для впрыска электролита. Это обеспечивает центрирование элемента без смещения или складок, подготавливая его к последующей герметизации.
Для квадратных/цилиндрических элементов жесткой упаковки: элемент без изоляции точно устанавливается в алюминиевый или стальной корпус, устанавливаются изоляционные прокладки, и выравниваются клеммы. Для фиксации положения элемента используется процесс нарезания канавок, предотвращающий внутреннее ослабление и смещение.
Шаг 3: Многонаправленная термосварка/герметизация (процесс герметизации сердцевины)
Герметизация имеет первостепенное значение в упаковке, напрямую определяя воздухонепроницаемость и срок службы батареи. В мягких аккумуляторных батареях используется трехступенчатый процесс термосварки:
1. Герметизация верхней части: герметизация области вокруг выступов. Это наиболее точный и сложный в контроле процесс, требующий точного регулирования температуры, давления и времени для предотвращения утечек или неполной герметизации.
2. Боковая герметизация: Герметизация обеих сторон ячейки, закрывающая большую часть полости, оставляя только отверстие для заправки электролитом.
3. Угловая герметизация: Укрепление уплотнения в местах изгибов углов, снятие напряжения и предотвращение растрескивания и протечек после длительной эксплуатации.
В жесткокорпусных элементах используется лазерная сварка для бесшовного соединения верхней крышки, внешней оболочки и отверстия для заправки электролита, что обеспечивает равномерные, беспористые сварные швы и абсолютную герметизацию полости.
Шаг 4: Вакуумная инъекция (обеспечение емкости аккумулятора для хранения энергии)
Затем герметичные ячейки помещают в вакуумную сушильную камеру/перчаточный бокс для введения электролита. Это важнейший этап в превращении ячейки из “полуфабриката” в “устройство для хранения энергии”.”
Высокоточный дозирующий насос точно впрыскивает заданное количество электролита в аккумуляторную ячейку. Вакуумная среда полностью удаляет воздух из полости, предотвращая окисление электролита и образование пузырьков. После впрыскивания ячейке необходимо выдержать 12-24 часа, чтобы электролит полностью смочил электроды и сепаратор, образовав стабильную SEI-пленку, которая напрямую влияет на срок службы батареи и стабильность заряда-разряда.
Шаг 5: Вторичная герметизация и формовка (окончательная герметизация и формовка)
После пропитки электролитом начинается заключительный процесс герметизации: для ячеек с мягкой оболочкой используется вакуумная двойная герметизация, которая удаляет избыток газа, полностью герметизирует инжекционный порт, разглаживает складки мембраны и придает ячейке нужную форму. Для ячеек с жестким корпусом инжекционное отверстие герметизируется лазерной сваркой, обеспечивая полную герметичность и полную изоляцию полости ячейки от внешней среды.
Шаг 6: Формирование, тестирование емкости и старение (активация клеток + скрининг)
Вновь упакованные элементы находятся в “спящем состоянии” и требуют активации посредством процесса формирования: цикл заряда-разряда малым током активирует материалы электродов и восстанавливает внутреннюю структуру интерфейса.
После этого проводится тестирование емкости для точной калибровки фактической емкости, внутреннего сопротивления и параметров напряжения элементов, что позволяет отбраковать дефектные изделия с вздутием, утечками, недостаточной емкостью или аномальным внутренним сопротивлением. Наконец, длительный процесс старения при комнатной температуре стабилизирует характеристики элементов, выявляя изделия с потенциалом выхода из строя в будущем.
Шаг седьмой: Окончательная проверка и защита изоляции (заключительный контроль качества перед отгрузкой)
Прошедшие проверку качества ячейки проходят окончательный визуальный осмотр, проверку герметичности и проверку изоляции. Затем на них наносятся изоляционный клей и защитная пленка, а также печатается номер модели, параметры и дата производства, что завершает весь процесс герметизации и подготавливает их к последующей сборке модулей и блоков.
IV. Основные контрольные точки качества в процессе упаковки (ключ к выходу продукции)
В производстве литий-ионных батарей даже незначительные ошибки могут привести к серьезным проблемам с качеством. Основные точки контроля качества сосредоточены в трех областях:
1. Точность герметизации (предотвращение нагнетания газа и утечки)
Параметры температуры, давления и времени термосварки должны быть точно подобраны. Неполная герметизация, протечки или чрезмерно узкие уплотнительные кромки могут привести к проникновению воды и воздуха в ячейку, что вызовет раздувание газа, утечку и значительное снижение емкости. Чрезмерно широкие уплотнительные кромки приводят к нерациональному использованию пространства и снижению плотности энергии.
2. Зависимость объема электролита и смачиваемости (определяющая срок службы)
Чрезмерное заполнение электролитом может привести к вздутию, а недостаточное заполнение — к недостаточному смачиванию электродов, ускоренному снижению циклической чувствительности и сокращению срока службы батареи. Вакуумное заполнение в сочетании с достаточным осаждением имеет решающее значение для обеспечения долговременной стабильности элемента.
3. Внутренняя чистота (предотвращение опасностей короткого замыкания)
Весь процесс упаковки должен проводиться в условиях низкой запыленности и низкой влажности. Остатки пыли и металлических частиц могут напрямую повреждать сепаратор, вызывая микрокороткие замыкания, чрезмерный саморазряд, а в тяжелых случаях — тепловой разгон.
