蘇 贊，劉振國，王明睿，金武飛，郭 瑞

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，新能源動力鋰電池在國家政策影響下需求量大大增加。動力電池的品質及性能可對整車質量產生深遠影響，亦為新能源車中的核心部件；其生產過程中的檢測方式和自動化水平會對生產效率，產品質量和產品一致性產生直接影響。在此背景下，主要電池廠商都在根據(jù)自身產品情況，全力改進化成系統(tǒng)的效率，進而對設備的自動化水平、穩(wěn)定性、生產效率等提出了更高的要求。

動力鋰電池的化成工序，目的為對電池的綜合性能進行改善和提高，方法為以特定的充放電過程及方式來將達到激活單體電池內部的正負極物質，同時也是單體電池制造完成后的首次充放電?；蛇^程中，在以碳為材料的負極位置與電解液接觸的界面上會形成一層鈍化薄層，將其命名為固體電解質界面膜或者SEI膜。為了形成良好的SEI膜，需要與產品相匹配的充放電工藝及高效檢測技術，在此基礎上化成檢測單元應運而生。

動力鋰電池化成檢測單元關鍵技術及裝備研制項目擬開發(fā)一套高可靠性、高集成度、高安全性的化成檢測單元，用以完成電測化成檢測工藝對電池料箱的定位、自動充放電、OCV自動監(jiān)測、安全智能監(jiān)測等功能的要求；解決目前市場化成檢測單元設備集成度低，操作性差、無法滿足企業(yè)生產的瓶頸問題。

1 鋰離子化成知識探究

1.1 動力鋰電池研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在蓄電池技術領域，鋰電池作為電動車的核心技術，具有重量輕、無污染、使用時間長、自我放電指數(shù)低、儲能大、功率大、適應溫度范圍寬等優(yōu)點。目前全球絕大部分國家都在進行鋰電池技術的深度研發(fā)，專家認為鋰電池技術還需更深入的發(fā)展，如加速性能、充電時長、續(xù)航里程等關鍵性因素，還需在更復雜、多變的實際運行狀況中檢驗，來進一步提高其可靠及穩(wěn)定度，進一步深入生產過程中的質量控制及管理，提高鋰電池化成設備的效率、精度、智能化、安全性等參數(shù)。

1.2 動力鋰電池化成技術探究

鋰電池的主要構成部分：

1）正極：氧化物，氧化鈷鋰（鈷酸鋰LiCoO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）氧化鎳鋰（鎳酸鋰LiNiO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、等；

2）負極：石墨型化碳材料（碳素）；

3）導電劑：乙炔黑；

4）粘接劑：聚四氟乙烯；

5）電解質：液態(tài)電解質（碳酸酯）、固態(tài)電解質（聚合物）料；

6）隔膜：聚烯微孔隔膜[1]。

動力鋰電池的充放電過程即電池內的鋰離子以隔膜和電解液等物質為介質，在正負極之間的往復、嵌入和脫嵌的循環(huán)進程。以LiCoO2為電池正極材料，充電過程中，Li+從LiCoO2中脫落，C3+被氧化為C4+，Li+通過介質轉移到負極位置，同時形成鋰碳層間化合物LixC6并插入到石墨結構中，當放電過程時相反。其充放電原理為：此過程中，電池正極所脫離的鋰離子經(jīng)由電池內部介質的傳遞抵達負極區(qū)域，而主要由碳素材料形成的負極表面會有很多細微孔位，且成層狀結構，鋰離子抵達此層狀結構區(qū)域后，附著于此區(qū)域表面并嵌入，鋰離子附著的越多，則此過程實現(xiàn)的充電容量越高；在電池的放電流程過程中，負極碳素表面嵌入的鋰離子逐漸脫離負極，通過電池介質的傳遞反向回到正極位置，逐漸返回的鋰離子越多，則此過程中的放電量就越高。鋰電池的充電電流選擇也需全面考慮，雖然充電速度會隨充電電流的增加而提高，但也會對鋰電池的性能產生影響且會有較嚴重的發(fā)熱情況伴隨而來。所以根據(jù)電池性能及以往數(shù)據(jù)支撐，0.2C～1C之間是多數(shù)鋰電池充電電流選擇值[3]。

動力鋰電池即電池成型后的首次充放電循環(huán)將其電池性能激活。鋰電池的化成工序過程十分復雜，同時也會對電池質量產生深遠影響（如圖1所示），充放電工藝過程及檢測精度會對鋰電池的性能、穩(wěn)定性及壽命產生深遠的影響。

圖1 電池生產工序

1.3 典型化成工藝分析

化成案例分析：4組電芯，每組12塊（完成注液工序后的同一批次的電芯），按照表1分別進行化成實驗。

表1 化成工藝

四組電池分別依照上述數(shù)據(jù)及流程進行實驗，最終可得化成時間結果如表2所示。

表2 化成時間

通過對表2中的化成平均時間數(shù)據(jù)對比可初步得出結論，工藝2和工藝4可有效縮短生產所用時間。通過進一步的實驗做更進一步對比。

化成工作完成，電池靜置7天，隨即在25℃環(huán)境下進行30周的恒流充放電循環(huán)實驗，實時對電池的電容等數(shù)據(jù)進行采集。實驗完成后，分別檢測各組電芯平均衰減率得出數(shù)據(jù)：第一組：0.123%、第二組：0.075%、第三組：0.113%、第四組：0.068%。可見按照工藝4進行化成工序的電池性能最佳。工藝流程中長時間的恒流充放電過程對化成設備的探針等設備提出相應的要求[4]。

2 化成檢測單元設備的設計

2.1 總方案擬定

化成檢測單元主體采用貨架型材搭建檢測單元，通用性好，成本低，如圖2所示。在貨架中嵌入料箱定位系統(tǒng)、檢測針床、煙霧感應器、DTS（分布式測溫系統(tǒng)）、自動消防、自動冷卻等系統(tǒng)。其中，充放電電源及OCV檢測儀與檢測單元進行物理隔離。

圖2 化成檢測單元效果圖

電芯料箱進入化成檢測單元后，首先精確定位裝置會將料箱固定并抬升；定位完畢后針床探針與電芯電極充分接觸，隨即根據(jù)化成工藝進行充放電循環(huán)，在此過程中OCV檢測設備、煙霧感應系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)對相應數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，任何數(shù)據(jù)異常后會觸發(fā)消防系統(tǒng)，將危險預警提前到萌芽階段；最后通過上位機工作站將過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳車間MES系統(tǒng)，可進行后期數(shù)據(jù)追溯。

2.2 升降氣缸的設計

在化成檢測單元中，電池在料框中通過升降氣缸來傳送到探針位置且需精確定位，所以對升降氣缸的傳動能力及定位能力要求較高。

升降氣缸的運動參數(shù)：升降行程35mm；升降速度5mm/s；

所要客服的重力：

氣缸的直徑：本氣缸主要作用為承擔升降機構的升降運動，活塞桿的工作阻力以及升降板的自身重力都是氣缸工作過程中需克服的阻力，其公式為：

式中：F1為活塞桿推力；Ft為升降板自身重力；Fz為氣缸工作總阻力；P為氣缸工作壓力。在設計過程中，負載率β對工作的影響必須被考慮到，表現(xiàn)為：

由上述分析可得出氣缸缸體直徑為：

帶入相關實際數(shù)據(jù)可得出：

查看相關手冊最終選擇D=63mm。

現(xiàn)設計氣缸的運行行程為I=40mm，取氣缸內徑D1=63mm，常態(tài)壓強值P=1MPa，則驅動力：

所載載荷質量為120KG，則重力：G=mg=1200N。

設計加速度為a=1m/s2，則慣性力為：G1=ma=120N。

活塞本身或者與其他部件接觸碰撞產生的摩擦力也需考慮，摩擦系數(shù)值現(xiàn)取為k=0.1，則Gm=k×G1=12N。

總受力Gq=G+G1+Gm=1332N，可得Gq＜G0，則所設計尺寸滿足實際使用需求。

2.3 檢測探針的選型

在上述化成工藝探究中得出了工藝流程中會存在長時間的恒流充放電過程；而且料箱中各電池電極的平整度一致性可能會較差，無法保證檢測針床與各電極的可靠接觸，進而影響檢測精度，同時帶來發(fā)熱高溫風險，甚至引發(fā)火災。這些都對測試用探針提出了很高的性能要求[6]。

所以需使用一種多觸頭鋸齒狀檢測探針，接觸阻抗小，保證長時間檢測情況下能夠順利完成任務。選擇鈹銅鍍金材質，大電流溫升小于10℃，保證通過電流的精度及電壓采樣的準確性。這樣可使各探針尖端與電極充分接觸，進而減小接觸電阻，減少能源損耗并增加可靠性；同時，將檢測探針設計成彈性結構，在料箱各電池平整度不一致的情況下，仍可使針床各探針與電極充分接觸，進一步提高可靠性。如圖3所示。

圖3 探針示意圖

2.4 消防系統(tǒng)的集成

在化成檢測工藝過程中，還是存在相當?shù)奈ｋU性。在鋰電池進行充電流程時，電池內的鋰離子（Li+）會被充電器的電流推力從正極位置通過電解液等介質推到負極位置，在負極位置存儲起來行程電化學能，如果無法再次從正極推動鋰離子到達負極，則證明充電過程已完成。鋰電池進行放電作業(yè)時，通過推動力到達負極的鋰離子反向回到正極，隨之而來的是終端電壓的下降，此即為鋰電池的放電過程。負極位置的鋰離子向正極位置運動完成時，電池的放電過程也已經(jīng)完成，此時需要再次進行充電操作。但是鋰電池的內部構成物質都是易燃性的，如操作不合適則極易發(fā)生燃燒爆炸等危險[7]。

可能會造成電池短路的幾個主要因素包括過度充電、超過極限溫度等，產生的危險情況可分為三種：

1）漏液而導致電池溫度驟升，保護層被破壞，進而使電解液發(fā)生泄漏；

2）電池短路發(fā)生自燃，產生的火花點燃電解液，導致燃燒；

3）爆炸情況的發(fā)生，鋰電池內部溫度驟升，而外殼的融化速度較慢，內部空間無法容納高溫情況下膨脹的氣體，本身容器因壓力過大而產生爆炸現(xiàn)象。

而且如果鋰電池發(fā)生火災后是及難撲滅的，所以化成檢測單元設備需集成安全消防部分，隨時檢測溫度、煙霧、電流等異常，及時報警并采取相應的應對策略。

分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS），覆蓋區(qū)域更廣，具有實時監(jiān)測、準確定位、無盲區(qū)、通訊距離長等特點。通過光纖發(fā)拉曼（flaman）散射效應進行溫度的測量；使用光時域反射（otdr）技術完成定位，進而進行空間范圍內溫度的實時監(jiān)測。

煙霧探測器防范火災方式為對所監(jiān)測范圍內的煙霧濃度進行測量，內部集成了高精度的離子式煙霧傳感器，可高穩(wěn)定行的進行監(jiān)測工作，先進性及可靠性促使其普及于各種消防監(jiān)測報警系統(tǒng)。

所以檢測單元內除了集成定位機構、檢測針床等設備還需集成煙霧傳感器、DTS測溫系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，結構集成度高，布局難度大，且要求便于維護更換。集成后的化成檢測單元示意圖如圖4所示。

圖4 化成檢測單元示意圖

3 結語

本文首先介紹了鋰離子電池的充放電及工作原理，進而深入探究典型的化成工藝流程，了解了化成的工藝要求并確定了對化成檢測設備的幾點重要要求。并通過定位氣缸的設計、檢測探針的選型和消防系統(tǒng)的集成來滿足化成檢測單元的高精度定位要求、充放電電流檢測穩(wěn)定性要求和安全性要求。最終確認了化成檢測單元設備的重要組成部分。