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動力電池精密結(jié)構(gòu)件,廣義來講包括電芯頂蓋、鋼/鋁外殼、正負(fù)極軟連接、電池軟連接排等,狹義來講主要包括電芯殼體和頂蓋,對鋰電池的安全性、密閉性、能源使用效率等都具有直接影響。按照電池封裝技術(shù)路線的不同,主要有方形、圓柱、軟包三種形狀,對應(yīng)的結(jié)構(gòu)件分別為方形結(jié)構(gòu)件、圓柱結(jié)構(gòu)件和鋁塑膜。
整體來看,圓柱和方形統(tǒng)稱為硬殼,封裝結(jié)構(gòu)較為相似,均由殼體和蓋板組成。軟包電池封裝較為特殊,由鋁塑膜構(gòu)成。
工藝端:精密制造
蓋板的主要生產(chǎn)工藝包括沖壓、焊接、注塑等,殼體的生產(chǎn)工藝主要是沖壓、拉 伸。鋁塑膜的主要生產(chǎn)工藝包括精密涂布、貼合等。
對結(jié)構(gòu)件的需求來自于電池封裝。目前,主流的電池封裝技術(shù)主要有方形電池、圓形電池以及軟包電池三類。動力電池的安全性和使用壽命都受其封裝工藝的影響,不同的封裝技術(shù)都具有不同的技術(shù)壁壘。封裝工藝設(shè)計除需滿足耐撞擊振動和擠壓穿刺的物理沖擊外,也需滿足防火阻燃等化學(xué)性能要求。
硬殼結(jié)構(gòu)件:蓋帽是關(guān)鍵,防爆片鋁材有待降本
硬殼結(jié)構(gòu)件包括圓柱和方形結(jié)構(gòu)件,通常由殼體和蓋板組成。其中,蓋板的制造工藝復(fù)雜度通常遠(yuǎn)高于殼體。
蓋板
蓋板的主要功能包括:
1)固定/密封功能:頂蓋與鋁殼激光焊接,包裹固定裸電芯并實現(xiàn)密封作用;
2)電流導(dǎo)通功能(極柱):在電池中,頂蓋極柱、轉(zhuǎn)接片和電芯極耳焊接導(dǎo)通,保證電芯充放電電流導(dǎo)通的功能;在模組中,頂蓋極柱與匯流排激光焊接、螺栓連接,形成串/并聯(lián);
3)泄壓功能(防爆片):當(dāng)電池出現(xiàn)異常,內(nèi)部氣壓增大至一定值,頂蓋防爆閥將開啟進(jìn)行泄壓,降低爆炸風(fēng)險;
4)熔斷保護(hù)功能(翻轉(zhuǎn)片):當(dāng)電池出現(xiàn)異常,內(nèi)部氣壓增大至一定值,頂蓋翻轉(zhuǎn)片向上頂起,與負(fù)極鉚接塊接觸,使頂蓋正負(fù)極直接短路,同時鋁連接片F(xiàn)use熔斷,快速切斷電流;
5)降低電腐蝕:正極上塑膠采用導(dǎo)電PPS,保證正極柱與頂蓋板間有一定阻值,降低正極柱與鋁殼間的電位差,防止頂蓋板/鋁殼電腐蝕,進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命
蓋板中重要部件主要有:
1)防爆片:一般磷酸鐵鋰體系電池頂蓋采用單個防爆閥設(shè)計,防爆閥開啟壓力一般為0.4~0.8MPa。當(dāng)內(nèi)部壓強(qiáng)增大并超過防爆閥的開啟壓力時,防爆閥將從刻痕處破裂并開啟進(jìn)行泄壓;
2)翻轉(zhuǎn)片:三元體系電池除了采用防爆閥外,還會疊加SSD翻轉(zhuǎn)片組合設(shè)計形式,防爆閥開啟壓力和SSD翻轉(zhuǎn)壓力一般分別為0.75~1.05MPa、0.45~0.5MPa。當(dāng)電池內(nèi)部壓強(qiáng)增大至SSD 翻轉(zhuǎn)壓力時,翻轉(zhuǎn)片向上頂起,快速切斷電流;
3)極柱:主要是起到電流導(dǎo)通作用。通常正極采用鋁極柱,負(fù)極采用銅鋁復(fù)合極柱。
殼體
殼體的制造相對簡單,主要采用連續(xù)拉伸工藝。由于蓋板集成部件較多,工藝較為復(fù)雜,且在實際作用時,防爆閥開啟后電解液容易飛濺至蓋板接線造成二次事故,因此出現(xiàn)了將防爆閥轉(zhuǎn)移至殼體的現(xiàn)象。
鋁塑膜:國產(chǎn)替代進(jìn)行時
與圓柱、方形電池的硬殼不同,軟包電池采用鋁塑膜封裝。鋁塑膜由鋁箔、多種塑料和粘合劑(包括粘接性樹脂)組成,按照制作工藝區(qū)分,主要有干法和熱法兩種。相比熱法鋁塑膜,干法鋁塑膜更加適用于大倍率、高能量動力電池,應(yīng)用更加普遍。
因為與電池的內(nèi)部材料直接連在一起,所以電解液會浸潤到鋁塑膜的內(nèi)層,故要求其具備以下性能:
1)極高的阻隔性;2)良好的熱封性能;3)內(nèi)層材料耐電解液及強(qiáng)酸,不與電解液反應(yīng);4)良好的延展性、柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度。
在結(jié)構(gòu)上,鋁塑膜為一種三層膜的復(fù)合材料,主要由尼龍層(ON)、鋁箔層(AL)、流延或未拉伸聚丙烯層(CPP)相互粘合后構(gòu)成。根據(jù)鋁塑膜厚度的不同,可分為88μm、113μm、152μm,其中厚度152μm的鋁塑膜適用于動力電池,而更薄的88μm和113μm適用于3C領(lǐng)域。
在成本上,鋁塑膜占到整只電芯的18%,僅次于正極(30%)和電解液(25%),屬于占比較大的一種成分。在鋁塑膜本身的構(gòu)成中,鋁箔的成本占到65%。在鋁塑膜的原材料中,鋁箔是核心材料,厚度5-9μm,國內(nèi)產(chǎn)能較豐富,領(lǐng)先的壓延鋁箔企業(yè)包括華西鋁業(yè)、渤海鋁業(yè)、河南神馬等,但國內(nèi)產(chǎn)品在性能方面不及國際產(chǎn)品,主要供應(yīng)中低端3C消費電子領(lǐng)域。CPP(流延聚丙烯薄膜)主要起到封口作用,國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要有佛塑科技、廣東仕誠、佛山俊嘉等,但產(chǎn)品主要用于低端3C消費電子領(lǐng)域。BOPA(雙向拉伸尼龍薄膜)位于最外層,主要起到保護(hù)作用。國內(nèi)廠家主要有滄州明珠、佛塑科技、廈門長塑等,但主要應(yīng)用領(lǐng)域為3C消費電子領(lǐng)域。綜上,國內(nèi)原材料主要應(yīng)用于3C消費電子領(lǐng)域,在軟包動力電池領(lǐng)域所需原材料仍依賴進(jìn)口。