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动力电池,激光清洗的新蓝海?

时间:2022-4-13

今年3月11日,中国汽车动力电池产业创新联盟发布了2022年2月动力电池月度数据。数据中动力电池的产量增幅同比增长236.2%,比新能源汽车销量增幅更加明显。
今年前两个月的动力电池产量与2020年、2021年相比翻了十倍。且不仅是产量,电池装车量也同比上升145.1%,呈快速增长势头。

动力电池,激光清洗的新蓝海?

我国是目前新能源汽车电池需求量最大的国家。根据工信部发布的《新能源汽车产业发展规划2021-2035》,我国将继续减少汽油柴油车的生产量,提升动力电池等产业基础能力,进一步加大及优化新能源汽车产业的建设。

动力电池作为新能源汽车的核心零部件之一,是新能源汽车成本构成的主要来源,其连接质量和使用寿命直接影响电动汽车的性能指标,对电动汽车的发展至关重要。

锂电池的生产是“roll-to-roll”过程,无论是磷酸铁锂电池、钠离子电池还是三元电池都需经历从薄膜到单个电池,再到装成电池系统的加工过程。锂电池的制备工艺大致可分为电极片制作,电芯合成,化成封装三段。

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锂电池工艺流程

在这三个大的工序中又有数道关键工艺,会直接影响电池的蓄电能力,产品安全和使用寿命。因此不同生产工艺产出的电池性能差异很大。在这些环节里,激光清洗目前可参与十几项项制备工艺,可大幅提升锂电池的优品率。

动力电池,激光清洗的新蓝海?

随着动力电池需求的持续加大,激光清洗设备的需求也必将随之上涨。接下来我们就重点看看其中的几项应用工艺及比较优势。

1. 极片涂覆前:铜铝箔片激光清洗

锂电池的正负极片是在铝箔铜箔上涂覆锂电池正负极材料而成,极片涂布对电池的安全性有重要意义。涂布过程如果混入颗粒、杂物、粉尘等其他介质会引起电池内部微短路,严重时导致电池起火爆炸。
因此箔片在涂覆前需要进行清洗处理,来得到完全洁净、和无氧化层的表面。

现有的电池极片一般采用超声波清洗,配合乙醇溶液做清洗剂作为涂布前清洗工艺。这种方式存在以下缺陷:

  1. 超声波清洗金属箔件特别是铝合金材质的工件时,受频率、清洗时长和功率的影响,超声波的空化效应容易腐蚀铝箔,产生细密小孔,作用时间越长,小孔越大。而锂电池极片所用箔片一般为单零箔,厚度为10 μm,更容易受因清洗工艺问题而撕裂成孔。
  2. 用乙醇溶液作为清洗剂不仅容易对锂电池其他部位造成损伤,而且还容易出现“氢脆”现象,影响铝箔的力学性能指标。
  3. 清洗效果虽然比传统湿法化学清洗好,但清洁度仍然不如激光清洗,表面偶尔仍会存在污染物,导致涂层与箔材脱离或产生缩孔。
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极片分切时,图层与箔材脱离
动力电池,激光清洗的新蓝海?
箔材表面存在污染物颗粒,低表面张力使液膜向颗粒周围发射状迁移形成缩孔点状缺陷

激光清洗作为干式无耗材清洗,在对铝箔表面处理的清洁度和亲疏水性等指标上都接近零瑕疵,最大程度保证极片上浆涂布的效果。

采用激光清洗金属箔不仅能提高清洗过程的效率、节约清洗资源,并且能建立清洗过程数据实时监控和清洗结果量化判定,能有效提高极片批产生产的一致性。下图为测试数据:

动力电池,激光清洗的新蓝海?
动力电池,激光清洗的新蓝海?

2. 电芯极耳:焊前激光清洗

极耳是从电芯中将正负极引出来的金属带,是电池进行充放电时的接触点。表面的污染物如油脂,腐蚀抑制剂和加工中的其它化合物,会导致焊缝处熔接不良、裂纹和孔隙等问题。
在出厂过程中极耳经常会出现不平整,折弯甚至扭曲,极耳与电芯焊接强度较弱,使焊接时出现虚焊、假焊、短接等现象,导致焊接接头的电导率降低,最终限制了电池组的整体性能。

这个接触点表面是否干净,会极大影响电气连接的可靠性和耐久性。
现有的极耳清洗多采用人工清洗,湿法化学剂清洗或等离子清洗。

  1. 人工清洗效率低下,成本高;
  2. 湿法流水清洗线虽然提高了效率,但流水线长度较长,占用工厂面积大,且化学剂也容易损伤其他锂电部位;
  3. 等离子清洗虽不需要液体介质,但也需要工艺气体作为耗材,且气体电离会导致电池的正负极易导通,应用时往往要多次翻转电芯将正负极极耳分开清洗,实际效率并不高。

激光清洗可以有效地去除电芯极柱端面的污物、粉尘等,为电池焊接提前做准备。
因为激光清洗无需固液气等任何耗材、结构紧凑,占用空间小、清洗效果显著,可大幅提高生产节拍,降低制造成本,也可在彻底清除有机物和微小颗粒的基础上粗化焊接表面,提高后续激光焊接的可靠性。简而言之,激光清洗是极耳清洗的最佳选择之一。

动力电池,激光清洗的新蓝海?

3. 组装过程中:外贴胶清洗

为了防止锂电池发生安全事故,一般需要对锂电池电芯进行外贴胶处理,以起到绝缘的作用,防止短路发生以及保护线路、防止刮伤。
当前国内不少电池企业在这一环节仍然是靠人工或自动化程度较低的工艺来完成,大多只是进行简单的包裹操作,效率不高、成本昂贵。并没有在包膜前对电池壳进行有效全面的清洁,更没有对包膜后的效果进行精确的检测。

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电芯外包覆膜

未清洁彻底的电芯外包膜进行CCD检测时,外观会有褶皱、气泡、划伤等不良情况,常可检出直径≥0.3mm的气泡。存在漏电和水锈腐蚀的概率,减少电池寿命的同时也存在安全隐患。

激光清洗在电芯表面洁净能力上可达到Sa3级,除净率99.9%以上;并且对电芯表面无应力作用。

动力电池,激光清洗的新蓝海?

与其他清洁方式如超声波清洗或机械打磨相比,可最大程度的保证电芯表面硬度等物理化学指标不发生变化,延长电池的使用寿命。

外贴胶前对电芯进行激光清洗,清洁电芯表面脏污,粗化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力,且清洗后不会产生有害污染物,是优品的保证

除了上述的几个例子之外,激光清洗在电池盖电泳漆去除、箔片标签清洗等其他十几项工艺流程中也具备较大的替代优势。

动力汽车的材料成本中最昂贵的就是电池部分,其次才是车身底座和驱动系统等部分。动力电池主要分为液态锂离子电池LIB和聚合物锂离子电池LIP,其中电池成本大部分来自正极材料,所需的镍、钴、锂等优质矿产资源主要分布在南美及澳洲等国家。

我国部分企业主要通过战投和并购的方式加入SQM来获得优质锂矿资源。受正极材料盐湖和锂矿产区在全球分布的影响,我国未来的主要发展趋势可能会偏向磷酸铁锂电池、钠离子电池和氢燃料电池。

而无论是现有的动力电池还是未来可能发展的新型电池,对工业清洗的需求是不会变的。甚至要对国外领先技术做追赶的话,对工业清洗的需求只会更大:往更高精度,更高优品标准上发展,实现集成自动化。
在这个趋势上,无论是传统人工作业的方式还是化学酸碱剂都无法满足全流程实时调控的需求,而这恰恰是激光清洗的看家本领:全自动化集成系统、微米级可控的精准度、绿色无污染的清洗方式还有最高等级的材料表面清洁度,都彰显着激光清洗与动力电池行业之间的契合度。

随着俄乌战争的影响扩大,动力汽车迎来了新的高速发展的市场机会。动力电池的产量也随之翻倍增长。
这是中国动力电池行业的发展机遇,也将会是激光清洗行业的蓝海。

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