18650锂电池电解液加装工艺的优化

作者:上海艾九能源科技有限公司 浏览: 发表时间:2021-05-27 14:44:21

18650锂电池是比较常见的一种锂离子电池随着社会需求及电池容量的提高电池内的化学物质越来越多密度也越来越大对电解液的吸收也越来越困难。注液是锂电池生产制造中的关键工序,电解液的注入量直接影响电池的容量和安全性能。注液太多电池易渗漏可能使安全阀打开造成电池报废;注液太少会降低容量并且容易引起电池爆炸。保证注液量的精度很重要电池的容量越高注液越困难。


国内解决注液困难的方法多为延迟注液时间为了不降低生产效率只能延长生产线增加多工位设备这不仅增加了设备的成本而且加重了设备维护力度还降低注液系统的稳定性使设备故障率提高。深圳创明电池技术有限公司因市场不断扩大原有生产线效率低,且制造成本及浪费偏高并影响部分产品品质在设备成本等条件制约下相关工序如不改进将存在一定的困难。


1存在问题

该公司原采用的注液流水线设备工作原理是烘干后的待注液电芯进入手套箱后通过人工加装注液杯后进行添加电解液完成后利用抽真空和加氮气促使电解液吸收经过人工查验电解液吸收情况后进行称重,称重合格的产品送入下道工序不合格的进行二次加装电解液。公司原有的注液流水线已无法胜任目前的注液工作主要表现在︰


1)电解液浪费比重较大。公司现有18650型电池的注液误差为± 0.1 g。每罐200 kg 电解液浪费率所占2.5%。

2)浪费人工工时。①原生产线设备每天需要人工多次手动操作管路球阀和调节氮气气源方可满足将储液罐内电解液输送到注液泵,避免中断注液生产②当加注电解液的电池称量后约30%的电池因注液量不足时须到下一工位增加2名员工进行手动补加补加后的电芯注液量误差均接近上限值影响电池品质;

3)原有的工艺极易导致电解液在输送和加注的过程中接触空气而影响其品质从而污染电解液影响电池的容量及安全性能;

4)电池外观及相关设备的腐蚀。因电解液为强氧化剂原有设备运行不稳定造成电解液渗漏严重腐蚀电池外表面降低电池品质并且泄露的电解液会造成设备上腐蚀加剧,使传输设备

运行不稳定手套箱内故障次数提高而传输设备的每次故障将会导致整个注液工序停工检修,检修完后还需近1天时间将环境温湿度调整到生产要求其造成的损失不可估量。据统计原有设备在1年内共发生故障11次造成高额维护费用和产品损失可见老的工艺路线已不适用了。所以公司需要尽快减少浪费源和优化生产工艺稳定生产并提高生产效率及产品品质。


2设备和工艺的改进及优化

注液流水线设备包括电解液输送设备、计量泵.电解液加注配套设备.传输皮带.称量为了提高整体工艺效率和质量,可逐—对相应设备进行优化分析并做出相应改善。


2.1电解液输送设备的优化

原工艺中采用的输送原理为通过氮气将电解液从储液罐压出到达一个直通式泄压罐后再输送到注液泵期间电解液在泄压罐会接触到外界空气从而被污染。而生产使用中需要手动操作管路球阀和调节氮气气源方可将储液罐内电解液输送到注液泵并且须每2 h操作一次不但浪费人力而且易导致电解液被污染,因厂房结构问题,开关每次约5 min ,一天约11次共计使用时间55 min。经过优化后安装使用的自动储液罐上透明液位管增设3个感应器,可通过高液位和低液位进行自动加液控制减少不必要的人力浪费超低液位增设声光报警提醒电解液储罐已空可更换新罐达到了自动化的要求在罐顶增加排气口并接引软管至手套箱内防止电解液接触外界空气变质以及避免电解液溢出外界污染环境从而达到工艺优化的目的。


2.2注液杯的优化

注液杯是整个工艺优化的核心部件,影呵有电群漫的以收。当配合工艺不合理时,会导致电解液泄漏还影呵电群役的定量加注造成返工补液电池比重较局。仕图2+月-液杯整体是─个耐腐蚀薄壁圆管,电芯在具空箱批具全的真空度下极易导致电芯中的空气在上升过程中直按成入→泡,气泡破裂后部分电解液洒落在电心托盘和具全相国P电解液浪费和其他设备腐蚀。新的注液杯增大了腔体谷积理过利用毛细管原理防止了电解液在吸收过程中气泡的产*目通过测试发现真空度降低一定值后,仍可以达到产的上白要求极大地降低了真空系统的能耗开且极大地避无厂E+液对真空系统及气体设备的腐蚀。其配合装接的管口外全要比电池壳口稍小装接时插入深度略长于滚槽后钢元的_上六A深度用于限位和固定。接口外部设有耐腐心Iu圈与电池实现密封不会渗漏电解液而且操作很方便。


2.3注液头的优化

原注液头仅为一个直通不锈钢细管连接江妆尔的出达t电芯上方。电芯托盘可盛装64个电芯约有1/3E心to社注时存在滴漏和倒吸现象导致电解液展费一个T计且电解液滴落流水线后污染、腐蚀传输装直寺具化这国注活设计在注液头上增加一个微型止回阀理过生饪法泵转速控制加入电解液为定值从而减少了注液过程中电解液的浪费和确保了定量注液。


2.4工艺的改进及实验

原有的注液工艺是:电池进注液机→注液→抽真空→加压→取出→称量→补液→封口过程中因电解液加装、抽真空和加压系统之间有干扰电解液注入电池后约1/3的电解液被电池马上吸收,更多的电解液暂时无法进入电池通过箱内真空度以及加压吸收剩余电解液,结束后通过加入纯度≥99.9999%的氮气加压用来帮助电解液快速进入电池填充有空气占据的空间提高生产效率.抽真空是电解液进入电池的关键,而通过注液杯和注液头的改良设计及使用高程度地完成了定量注液及高速吸收电解液的目的,并且降低了真空系统的负荷,由原有工艺的真空度须达到-0.095 MPa时方可保证品质,降低到真空度调整在-0.085 MPa时,仍可满足产品工艺要求;而且在设备改善后注液量几乎恒定可将补液和称量工艺并在—起减少了人工浪费达到精益生产的目的。


3改善效果

自动电解液加装装置设计并应用后不仅减少了人工浪费和避免了环境污染而且保证了电解液的品质及定量从而间接提升了电池品质而注液通过对注液头及注液杯的改善应用以及对注液工艺的优化减少了电解液的浪费提升了电池的品质满足了客户的要求以及减少了其他设备的损耗。


1)原有每个罐装电解液可生产3万只电池,而通过新装置及工艺改善同样一罐电解液可生产电池3.8万只极大提高了电解液使用率同比每年可多生产8 000只电池公司电解液采购价格约为100元/kg 原工艺每罐浪费约5 kg 改善后按照实际产量计算每罐电解液浪费仅为1 kg 按照每月100罐使用量,每年可节省电解液采购费用16万元。


2)注液工序中每盘电池约有20%~30%需要补液,自注液流水线装置及工艺改进后现在只有5%需要补液,而且注液量稳定电解液几乎没有泄漏从而使公司的生产制程能力指标( CPK)有了明显的改善。一般来说,CPK<1.33说明设备稳定性差;1.33≤ CPK≤ 2.00 ,说明设备的稳定性很好。在改善前公司CPK值仅为0.41,远远落后于同行进口设备的制程能力指标,改善后从图1b可知注液量成正态分布比较集中趋于标准值,CPK为1.49满足公司精益生产的要求。


3)通过整个装置及工艺的优化多方面的提升了设备稼动率减少了原材料浪费并降低了产品制造成本为公司带来了长期稳定的效益。设备故障率从原有的一年的11项降低为2项,减少了设备维护费用及间接的生产损失。


4结语

此注液工艺已应用于公司全系列圆柱型锂电池生产中自2009年使用注液新工艺共计生产电池3 000万只,工序稳定可靠产品品质得到有效提高。该技术成功将电解液的输送形成了自动化加装并且通过设备及工艺改善突破了原有繁冗的工序结构而使用新型注液杯及注液头可极大避免电解液浪费,保证电解液的定量加注从而达到提升电池品质和安全性的目的。

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