作為新一代國之重器

鋰離子動(dòng)力電池

以寧德時(shí)代為代表

早在去年，就登上了央視的舞臺(tái)

《大國重器》第二季

詳細(xì)介紹了寧德時(shí)代的電池生產(chǎn)線

對(duì)此還不太了解的朋友

今天我們一起學(xué)習(xí)下

 第一部分：電芯誕生記

首先，讓我們看一下電芯的生產(chǎn)產(chǎn)線。這是國內(nèi)首條、國際一流的自動(dòng)化產(chǎn)線，寶馬X1和新5系的電芯就是在這里誕生的哦。

所有進(jìn)入車間的人員都必須穿潔凈服，戴帽子、口罩，完畢后，需要經(jīng)過噴淋間360度無死角除塵

控溫、控濕、無塵的工廠，可媲美半導(dǎo)體微電子的制造環(huán)境

忙碌的RGV，按照設(shè)定的軌道，自動(dòng)搬運(yùn)材料和為設(shè)備上下物料

孤獨(dú)的機(jī)械手自動(dòng)拆盤碼盤

有了高科技機(jī)器人、中控系統(tǒng)、在線檢測設(shè)備和信息追溯系統(tǒng)的助攻，catl的產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化”、“生產(chǎn)過程透明化”、“生產(chǎn)現(xiàn)場無人化”。

電芯（Cell）是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元。M個(gè)電芯組成一個(gè)模組（Module）,N個(gè)模組組成一個(gè)電池包（Pack）,這是車用動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)。電池就像一個(gè)儲(chǔ)存電能的容器，能儲(chǔ)存多少的容量，是靠正極片和負(fù)極片的所負(fù)載活性物質(zhì)多少來決定的。

極片主要是由

攪拌、涂布、冷壓

三道工序完成

攪拌

攪拌就是將正、負(fù)極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機(jī)攪拌形成均勻漿狀。

涂布

拌好的活性材料以每分鐘80米的速度被均勻涂覆到4000米長的銅箔上下面。涂布前的銅箔薄如蟬翼，只有6微米厚。涂布至關(guān)重要，需要保證極片厚度和重量一致，否則會(huì)影響電池的一致性。涂布還必須確保沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片。否則，導(dǎo)致電池自放電過快甚至安全隱患。

冷壓和預(yù)分切

輥壓裝置將涂布后的極片壓實(shí)到預(yù)定的厚度和密度。

極耳模切和分條

在這里，用模切機(jī)模切形成電芯的導(dǎo)電極耳。極耳是電池頭上耳朵，通俗地說就是電池正負(fù)極的耳朵在進(jìn)行充放電時(shí)的連接點(diǎn)。然后，通過切刀對(duì)極片進(jìn)行分切。

卷繞

電芯的正極片、負(fù)極片、隔離膜以卷繞的方式組合形成裸電芯。先進(jìn)的CCD可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測及自動(dòng)糾偏，確保電芯極片不錯(cuò)位。

裝配

卷繞好的裸電芯將被自動(dòng)分選配對(duì)，之后再經(jīng)過極耳焊接、折極耳、裝配頂支架、熱熔Mylar、入殼、殼體焊接等工序。至此，裸電芯就擁有了堅(jiān)硬的外殼。

烘培和注液

電池烘烤工序是為了使電池內(nèi)部水分達(dá)標(biāo)，確保電池在整個(gè)壽命周期內(nèi)具有良好的性能。注液，就是往烘焙后的電芯內(nèi)注入電解液。電解液就像電芯身體里流動(dòng)的血液，能量的交換就是帶電離子的交換。這些帶電離子從電解液中運(yùn)輸過去，到達(dá)另一電極，完成充放電過程。

化成

化成是對(duì)注液后的電芯進(jìn)行激活的過程，通過充放電使電芯內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成SEI膜，保證后續(xù)電芯在充放電循環(huán)過程中的安全、可靠和長循環(huán)壽命。

為了電芯擁有良好性能，電芯制造過程中還要經(jīng)過X-ray檢測、焊接質(zhì)量檢測，絕緣檢測、容量測試等一系列“體檢過程”。

制造好后的每一個(gè)電芯單體都具有一個(gè)單獨(dú)的二維碼，記錄著制造日期，制造環(huán)境，性能參數(shù)等等。強(qiáng)大的追溯系統(tǒng)可以將任何信息記錄在案。如果出現(xiàn)異常，可以隨時(shí)調(diào)取生產(chǎn)信息；同時(shí)，這些大數(shù)據(jù)可以針對(duì)性地對(duì)后續(xù)改良設(shè)計(jì)做出數(shù)據(jù)支持。

第二部分：模組變形記

單個(gè)的電芯是不能使用的，只有將眾多電芯組合在一起，再加上保護(hù)電路和保護(hù)殼，才能直接使用。這就是所謂的電池模組。

電池模組（module）是由眾多電芯組成的。需要通過嚴(yán)格篩選，將一致性好的電芯按照精密設(shè)計(jì)組裝成為模塊化的電池模組，并加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置。CATL的模組全自動(dòng)化生產(chǎn)產(chǎn)線，全程由十幾個(gè)精密機(jī)械手協(xié)作完成。另外，每一個(gè)模組都有自己固定的識(shí)別碼，出現(xiàn)問題可以實(shí)現(xiàn)全過程的追溯。

從簡單的一顆電芯到電池包的生產(chǎn)過程也是相當(dāng)復(fù)雜，需要多道工序，一點(diǎn)不比電芯的制造過程簡單。

上料

將電芯傳送到指定位置，機(jī)械手自動(dòng)抓取送入模組裝配線。在寧德時(shí)代的車間內(nèi)從自動(dòng)搬運(yùn)材料到為設(shè)備喂料100%實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

給電芯洗個(gè)澡---等離子清洗

對(duì)每個(gè)電芯表面進(jìn)行清洗（CATL寧德時(shí)代采用的是等離子處理技術(shù)保證清潔度）。這里采用離子清潔，保證在過程中的污染物不附著在電芯底部。

為什么要采用等離子清洗技術(shù)？原因在于，等離子清洗技術(shù)是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗方式，其最大優(yōu)勢在于清洗后無廢液，最大特點(diǎn)是對(duì)金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料等都能很好地處理，可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。

將電芯組裝起來---電芯涂膠

電芯組裝前，需要表面涂膠。涂膠的作用除了固定作用之外，還能起到絕緣的目的。

CATL寧德時(shí)代采用國際上最先進(jìn)的高精度的涂膠設(shè)備以及機(jī)械手協(xié)作，可以以設(shè)定軌跡涂膠，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控涂膠質(zhì)量，確保涂膠品質(zhì)，進(jìn)一步提升了每組不同電池模組的一致性。

給電芯建個(gè)家---端板與側(cè)板的焊接

電池模組多采用鋁制端板和側(cè)板焊接而成，待設(shè)備在線監(jiān)測到組件裝配參數(shù)（如長度/壓力等）OK后，啟動(dòng)焊接機(jī)器人，對(duì)端/側(cè)板完成焊接，及焊接質(zhì)量100%在線檢測以確保質(zhì)量，以及100%在線監(jiān)測焊接質(zhì)量。

線束隔離板裝配

焊接監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確定位焊接位置后，綁定線束隔離板物料條碼至MES生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，生成單獨(dú)的編碼以便追溯。打碼后通過機(jī)械手將線束隔離板自動(dòng)裝入模組。

完成電池的串并聯(lián)---激光焊接

通過自動(dòng)激光焊接，完成極柱與連接片的連接，實(shí)現(xiàn)電池串并聯(lián)。

下線前的重要一關(guān)---下線測試

下線前對(duì)模組全性能檢查，包括模組電壓/電阻、電池單體電壓、耐壓測試、絕緣電阻測試。標(biāo)準(zhǔn)化的模組設(shè)計(jì)原理可以定制化匹配不同車型，每個(gè)模塊還能夠安裝在車內(nèi)最佳適合空間和預(yù)定。

第三部分：電池歷險(xiǎn)記

在重裝上陣前，電池組還需經(jīng)歷"九九八十一難"才能修成正果。在寧德時(shí)代，這些極端，苛刻的實(shí)驗(yàn)包括挑戰(zhàn)高溫火燒、擠壓、沖擊、振動(dòng)、海水浸泡、高低溫沖擊等，可多達(dá)230項(xiàng)。在寧德時(shí)代，只有成功通過層層磨煉的電池產(chǎn)品，才能被放行使用。

火燒測試

在高溫油氣煙火下，鉛、鋅等金屬材料早已熔化。但是，電池組卻要在這樣的高溫下進(jìn)行“生存”挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)極端且具有危險(xiǎn)性的測試中，行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)是外部火燒130秒，電池不起火、不爆炸。但在CATL，一切有著最高的要求。國家標(biāo)準(zhǔn)要求外部燃燒后不起火不爆炸，CATL則挑戰(zhàn)做到了外部火燒130秒后，電池依然可以正常工作；國家標(biāo)準(zhǔn)外部燃燒時(shí)間要求為130秒即可，CATL甚至研究了連續(xù)燃燒1小時(shí)后，電池依然沒有爆炸危險(xiǎn)。而在這樣的情況下，即使是熔點(diǎn)為660℃的鋁材，也早熔化成了液體。

通過這樣嚴(yán)苛的火燒試驗(yàn)，即使遇上火災(zāi)或車輛燃燒，也不會(huì)出現(xiàn)電池爆炸的危險(xiǎn)，避免出現(xiàn)二次傷害。

振動(dòng)測試

顛簸路面對(duì)電池產(chǎn)生的振動(dòng)，可能會(huì)引發(fā)質(zhì)量不過關(guān)的電池產(chǎn)品固定不良，零部件松動(dòng)，外殼破裂最后引發(fā)安全失效的情況。為此，國家標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行振動(dòng)測試。

振動(dòng)臺(tái)用來模擬電池包在實(shí)際使用中會(huì)遇到的顛簸路況，環(huán)境箱用來提供不同的溫度環(huán)境，充放電機(jī)則用以提供充放電的實(shí)際工作情況。這三部分組成了帶溫度帶負(fù)載的振動(dòng)測試系統(tǒng)，真實(shí)模擬了實(shí)車使用時(shí)的情景。

這是寧德時(shí)代的一座推力20噸的振動(dòng)臺(tái)，用來模擬電池包在實(shí)際使用中會(huì)遇到的顛簸路況，但其振動(dòng)強(qiáng)烈程度更甚于實(shí)際路況。在試驗(yàn)中，電池包一秒鐘要被振動(dòng)200下，而電芯模組則要被振動(dòng)2000下。蜜蜂的翅膀每秒鐘振動(dòng)400下，我們就可以聽到“嗡嗡”的聲音，每秒振動(dòng)2000下的電芯模組所發(fā)出的聲音是非常尖銳刺耳的。

在寧德時(shí)代，這樣的振動(dòng)承受挑戰(zhàn)算的不是分秒，而是小時(shí)。在這里，電池包需在-30℃至60℃的環(huán)境條件下，電池包連續(xù)隨機(jī)振動(dòng)21小時(shí)，這樣可等效模擬數(shù)十萬公里的行車疲勞情況。

加速度沖擊測試

與振動(dòng)試驗(yàn)類似，沖擊測試用以測試電池包的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其模擬車輛通過路障時(shí)，瞬間顛簸對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的沖擊。

在寧德時(shí)代的沖擊測試中，最高加速度可高達(dá)100G。100G加速度如何理解？載人航天飛行器的向心加速度最高可達(dá)15G。一輛電動(dòng)大巴被時(shí)速為50公里的小車撞擊時(shí)，電池包所受到的加速度約為30G。一般人的心臟承受的最大加速度為50G。而目前有記錄的，人體能承受的加速度極限約為40G。但在如此強(qiáng)烈的加速度沖擊下，電池包依然運(yùn)行正常。

擠壓測試

擠壓測試用于模擬電池在交通事故時(shí)受到擠壓的情況。電池受到擠壓時(shí)在結(jié)構(gòu)上可能由外至內(nèi)被破壞，出現(xiàn)高壓短路，電芯被內(nèi)部零部件刺破漏液，造成熱失控，進(jìn)而引起起火或爆炸。

在寧德時(shí)代的擠壓試驗(yàn)中，施加給電池包的力是10噸。一輛2噸的車，以90km/h的速度行駛撞擊，其撞擊力剛好是10噸。

從圖中可以看到，在10噸外部力量的擠壓下，復(fù)合鋁材質(zhì)的電池包外殼已出現(xiàn)了明顯的變形，但電池包整體結(jié)構(gòu)完整。對(duì)于擠壓測試的通過標(biāo)準(zhǔn)一般是不起火、不爆炸。而寧德時(shí)代的電池產(chǎn)品，甚至可以在擠壓變形的情況下，繼續(xù)正常工作。

【結(jié)束語】

自此，經(jīng)過數(shù)不清的復(fù)雜加工工藝和檢測測試流程，一塊印有CATL標(biāo)志的成品車用電池單元終于誕生了。但即使如此，寧德時(shí)代對(duì)于質(zhì)量的把控還遠(yuǎn)沒有結(jié)束。為了把控在日常使用時(shí)的質(zhì)量和品質(zhì)，所有的成品電池和電芯都有自己獨(dú)一無二的編碼，如果未來某塊電池甚至某顆電芯出現(xiàn)故障，可以追溯到關(guān)聯(lián)生產(chǎn)線甚至關(guān)聯(lián)原料。