从“材料”到“电池组”——一文读懂动力电池生产全流程!.pdfVIP

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从材料“”到“电池组”——一文读懂动力电池生产

全流程！

锂离子电池是一个复杂的体系，包含了正极、负极、隔膜、电解液、

集流体和粘结剂、导电剂等，涉及的反应包括正负极的电化学反应、锂离

子传导和电子传导，以及热量的扩散等，因此锂离子电池的电性能、安全

性受到多种因素的影响，因此锂离子电池的设计和制造不但需要丰富的电

化学知识，更需要大量的生产实践经验，今天小编就带大家一起梳理一下

动力电池技术的现状和面临的挑战。

一般而言，锂离子电池的开发分为几个周期，首先是实验室内的基础研

究，这一部分主要是适用扣式半电池，或者简单的软包电池，这一步主要

的目的是测试材料和配方的性能，因为电池的结构没有进行优化，因此这

里得到的结果并不能直接应用在生产上。在进行了实验室级别的初步测试

和评估后，好的材料和配方就会转移到下一个阶段——中试阶段，在这一

阶段需要考虑电池的综合性能，例如电池能量密度（正负极的涂布量）和

快充、倍率等特性，并发现在大规模生产过程中可能面临的工艺问题，及

时做出调整。通过上述的过程，完善了电池配方和生产工艺后，成熟的产

品才能最终投入正式生产。由于影响锂离子电池性能的因素众多，因此设

计和生产或接的每一个参数都会对电池最终的电性能和安全性产生重大的

影响，因此我们有必要深入了解材料、设计和工艺参数对于产品最终性能

的影响。近日布伦瑞克工业大学的ArnoKwade为我们梳理了从电极到单

体电池，再到电池组的整个生产环节中，设计和生产工艺参数对于最终产

品性能的影响。

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1.电池材料

一款电池的设计要首先从材料的选择开始，需要根据目标需求，例如能

量密度、倍率特性、循环寿命和安全等指标，选择合适的材料。正极材料

选择方面，我们可以选择橄榄石结构的LiFePO4，这种材料更加适合应用

在对能量密度需求不高的大巴车上，此外还有高容量的层状材料，例如

NCM和NCM，这些材料更加适合应用在纯电动汽车上，尖晶石结构的

LiMN2O4则更加适合应用在混合动力汽车上。负极材料方面，目前主流的

选择是人造石墨、天然石墨和中间相结构碳微球类的材料，在目前动力电

池比能力指标不断提高的情况下，我们也会在是石墨材料中添加少量的Si

材料，以便提高负极的比容量。为了改善正负极的导电性，通常还需要在

其中添加少量的导电剂，目前最常见的导电剂为炭黑类材料，碳纤维类材

料，以及近几年兴起的碳纳米管和石墨烯类材料。此外，为了将电极粘附

在集流体的表面还需要添加1-4%的粘结剂，目前的粘结剂主要分为两大类

一类是油系粘结剂，主要是PVDF类粘结剂，另一大类是水系粘结剂，主

要为CMC，以及SBR、PAA类的粘结剂。

为了将锂离子电池内的电子传导出来，我们还需要应用到正负极的集流

体，主要Al箔和Cu箔，目前主流的铜箔为8um，Al箔为15um，但是随着

锂离子电池比能量的不断提高，厂商已经开始采用厚度更薄的6um铜箔和

12um的Al箔，有时为了降低锂离子电池内阻，提高粘接性，我们还会在

铜箔或者铝箔表面涂布一层碳材料（3-5um）。隔膜也是锂离子电池的重要

做成部分，它承担着隔绝电子导通离子的作用，目前常见的隔膜制备方法

主要分为干法拉伸工艺和湿法工艺，干法拉伸工艺在成本上具有一定的优

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势，但是干法拉伸工艺制备的隔膜存在明显的各向异性，湿法隔膜在各个

方向上的强度基本一致，但是成本较高。目前为了提高锂离子电池的比能

量，隔膜的厚度持续变薄，为了保证锂离子电池的安全性，涂层隔膜成为

目前隔膜发展的主流趋势，常见的涂层主要可以分为两大类，一类是无机

氧化物涂层，例如Al2O3，MgO等，有机物涂层能够显着的提升隔膜的热

稳定性，另一类是有机聚合物类隔膜，例如日本厂商采用的比较多的芳纶

涂层隔膜，能够有效的提升隔膜的抗氧化性。

电解液也是锂离子电池的重要组成部分，在锂离子电池内部起到传导