打破鋰離子電芯化成速度瓶頸

白皮書 打破鋰離子電芯化成速度瓶頸 以創新方法生產電動車電池，節省可觀的時間和成本 隨著電動車（EV）電池需求迅速飆升，超級工廠（gigafactory）一詞也開始占據各大媒體的頭條版面。汽車業者預估，到2030年，鋰離子（Li-ion）電芯的需求量將以每年33%的幅度成長，達到4,700GWh（參見圖1）。 按地區劃分 ~4,700 依產業分類 ~4,700 +每27年% ~1,700 ~700 +每27年% ~1,700 ~700 202220252030202220252030 世界其他地區 美國 歐洲中國 固定式儲能裝置 消費性電子產品 電動車 圖1：全球不同地區和產業的鋰離子電池需求量（資料來源：麥肯錫） 10年前，我們根本不曾聽說過「超級工廠」這個名詞；今天，超級工廠卻成了支撐電動車生態系統的基石。它們 將電池產能從每年4至10GWh，倍增至每年40至80GWh。大量生產有助於降低成本，因此過去10年間，電動車電池的價格大幅下降了90%。 然而，近來原物料、供應鏈和能源成本均節節升高，使得控制電池成本成了難以達成的任務。電芯製造是能源密集型作業。 本文探討有助於提高電芯化成和品質管理效率的顛覆性技術，以便生產更高品質的電池，進而節省時間和成本。 在段超級工廠中生產電動車電池的幾個關鍵階 如欲以經濟有效的方式製造優質電池，關鍵在於速度、精準度，以及可靠性和可重複性。圖2顯示電池電芯批量製造的精密自動化流程。 在超級工廠中，生產速率是極重要的製造成本參數，也是電芯製造速率的量化指標。在製造鋰離子電芯時，化成和老化階段是最耗時的兩個環節。以下將探討造成這些瓶頸的原因，以及有助於縮短時間的方法。 生產電極 混合 塗層 蒸鍍 壓延成型 分切 電池電芯組裝 層壓 封裝 極柄銲接 注入電解液 電池電芯後加工 預形充成電/老化測試最終儲能 圖2：電池電芯製造流程的關鍵階段 與電芯化成和老化階段相比，電極製造和電池組裝是高度自動化的流程，生產速率快很多。 注入電解液後，電芯內部並未儲存任何能量。此時，電芯電壓的高低取決於許多因素，尤其是電芯的製造材料。通常，在注入電解液後，您會立即看到50至100mV的低電壓，甚至可能出現�100至�200mV的微小負電壓。 預充電：電芯後加工的第一步 一旦電芯注滿電解液，就必須快速進入預充電階段。為防止腐蝕，您需以非常低的電壓（通常為�100mV至100mV）將電芯預充電，使其達到大約2V、0%的電量狀態（SoC），這是安全、穩定的電壓。之後，電芯可繼續進行化成，無需擔心會因為延遲而導致進一步的腐蝕。 什麼是OCV和SoC？ 電池電芯的開路電壓（OCV）是指，如果沒有電流通過兩極，而且電極電位處於平衡狀態時，正極 和負極之間的勢差。 電量狀態（SoC）是指電芯在特定時間點的可用電量，以電荷量相較於電池總容量的百分比表 示。 透過預充電，電芯可在達到2V電壓時開始化成。因此，化成設備可在2V至100%SoC最大開路電壓（OCV）的最小範圍內運作，視電芯化學成分而定，該範圍可為3.6V至4.2V。 化成設備的最低運作電壓為2V，而典型的電芯測試系統或電源供應器/充電器的運作電壓則低至0V。電芯測試設備支援的運作範圍越大，售價就越高。有鑑於此，電動車電池電芯製造商更樂於使用範圍小、成本低的專用型化成設備來進行預充電。 電芯化成和老化的時間與成本 在電芯後加工過程中，電芯化成是極耗時但至關重要的步驟。在化成過程中，電流會通過電芯，以進行第一次充電，同時形成固態電解質介面層。形成固態電解質介面層後，您便有了可進行充電、儲能和放電的可用電芯。 一份針對當前和未來鋰離子電池製造趨勢進行研究的報告1指出，電芯化成與老化過程的成本最高，幾乎佔總製造成本的1/3（參見表1和圖3）。 。 、、和。 確定電池的自放電特性是否在可接受的範圍內，此過程所需的時間，是總老化時間的最主要部分。這段時間相當長，主要為觀察電芯因自放電效應而導致的OCV變化所需的時間。縮短確認電芯老化所花費的時間，可提高超級工廠的獲利底線。我們稍後會詳細討論這個問題，此處僅探討電芯化成流程。 1YangtaoLiuRuihanZhangJunWangYanWang“Currentandfuturelithium-ionbatterymanufacturing.”iScience24,no.4(2021),102332.doi:10.1016/j.isci.2021.102332.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258900422100300X 表1：鋰離子電池製造成本、生產速率，以及能源消耗 製造流程 （每年成本/$* Nelsonetal.,2019） （生H產eim速es率etal.,2019a） 成本百分比% 漿料混合7,396,00030分鐘至5小時7.91% 塗層/乾燥13,984,00035至80m/min14.96% 溶劑回收4,296,000NA4.60% 壓延成型4,849,00060至100m/min5.19% 分切2,891,00080至150m/min3.09% 真空乾燥2,990,00012至30小時3.20% 層壓8,086,000NA8.65% 銲接6,864,000NA7.34% 裝殼11,636,000視電芯設計而定12.45% 化成/老化30,482,750長達3週32.61% 資料來源：“CurrentandFutureLithium-ionBatteryManufacturing”1 漿料混合塗層/乾燥溶劑回收 壓延成型 分切真空乾燥 層壓銲接裝殼 形成/老化測試 製造成本 32.61% 7.91% 14.96% 4.60% 5.19% 3.09% 3.20% 8.65% 7.34% 12.45% 0%5%10%15%20%25%30%35% 圖3：表1以圖形方式顯示影響鋰離子電池製造成本的因素 化成資訊（例如電流和持續時間）是絕大多數電芯製造商的機密。經過最佳化的化成設備可有效降低資本支出。 電芯預充電和電芯化成要求的差異 使用正確的工具，是將電芯製造流程最佳化的關鍵要素。預充電和化成這兩個步驟，對充電設備的要求截然不同。 進行預充電時，電芯會轉為快速充電模式，使得電壓迅速從超低電壓（甚至是負電壓）升高至2V電壓。化成流程極少採低電壓運作，因為有潛在危險；但預充電需在低電壓下運作。因此，標準的化成設備無法滿足預充電需求，因為它可能無法承受小負電壓的預充電運作範圍。 在權衡鋰離子電芯化成與預充電的製程和設備要求時，請審慎考慮以下幾點： •間化進成行設化備成需時在，需2V使或用更多高個的化電成壓通下道運。作，以節省設備資本支出。對於量產製造，這點尤其重要，因為長時 •預充電設備需在小負電壓至2V的範圍內運作，而標準的化成設備無法在此範圍內執行預充電步驟。 •雖然具2V範圍規格的預充電設備成本較高，但所需的通道數較少，因為預充電步驟比化成步驟短得多。 電池電芯自放電量測 即便在閒置狀態下，鋰離子電芯也會失去電荷。這種現象稱為自放電。 電芯電量每個月會流失1%至2%。電芯製造商需快速辨別新成形的電芯，是否因潛在的製造缺陷而出現異常的自放電行為； 而且必須從所有電芯中，篩選出自放電量過大的電芯。藉由使用篩選功能，製造商可避免有問題的電芯進入後續流程，且組裝成電動車電池模組 和電池組。 如表1所示，由於量測OCV變化（ΔOCV）極為耗時，因此大部分的化成/老化時間，都是花費在確定電芯自放電行為，是否在可接受的範圍內。任何可縮短電芯老化時間的方法，都可節省大量成本。 以下段落將傳統OCV方法與新的恆電位方法（可大幅縮短量測時間）進行比較。 傳統的ΔOCV方法 傳統上，業者不需要進行複雜的量測，來辨識自放電行為。量測電芯OCV隨時間的變化相當簡單。 問題在於，這種ΔOCV方法太耗時了，至少要好幾天時間才能完成。然而老化期越長，超級工廠的在製品庫存績效就越糟。製造商需在溫控環境中，對大量的庫存電芯進行OCV量測，不但占用寶貴的工廠空間，還會導致營運成本增加。 恆電位或直接量測方法 恆電位法是取代ΔOCV法的理想選擇，它可直接量測電芯的內部自放電電流。首先需使用微安計，將可準確匹配電芯OCV的高效能直流電源，連接到電芯。直流電源可以讓電芯維持在恆定的SoC，然後從外部提供電芯的所有自放電電流。 這種方法只需幾小時（甚或更短）讓量測結果趨穩，而且可以更快速地從正常電芯中，篩選出自放電量過大的電芯。如此可完全消除或大幅縮短老化時間，進而將在製品及相關成本降到最低。 為快速量測電芯的自放電量，恆電位分析儀必須具備以下的基本特性： •必須能夠準確量測數十或數百微安培的低位準自放電電流。 電流的電流。 •不不匹應配干外擾部電電芯壓。，施會加對於電電芯芯進的行電充壓電，或必放須電完，全導等致於不電必芯要電的壓電。荷必重須分快配速，匹進配而電產芯生電會壓掩。蓋否目則前，量分測析之儀自施放加電的 •續恆充電電位和分放析電儀，還然須後對在電量芯測施自加放非電常電穩流定時，的產電生壓雜。訊所電施流加。的電壓如有任何不穩定性或雜訊，都會導致電芯持 圖4為使用KeysightBT2152B自放電分析儀對多個電芯進行恆電位量測的範例。BT2152B符合上述所有恆電位量測要求： •可準確量測低位準自放電電流，不確定度僅±（0.30%+250nA）。 •以可免快掩速蓋匹正配在施量加測於的電自芯放的電電電壓（流±。1.25μV），並將新的充電或放電電流，以及不必要的趨穩電流降到最低， •雜可訊對降電到芯最施低加。穩定的電壓（±3μVpk），以盡可能減少自放電電流量測導致的持續充電/放電，進而將電流 圖4：使用KeysightBT2152B對多個鋰離子電芯進行自放電電流量測 是德科技電芯製造解決方案 是德科技提供以下解決方案，可縮短電芯製造時間，從而降低電芯製造成本： KeysightBT2200充放電系統 KeysightBT2200充放電系統適合用於電芯的預充電和化成階段。BT2202A或BT2203B主機與8個BT2204B模組可提供256個6A通道。您可依不同電芯尺寸並聯所有通道，以獲得電芯化成所需的高功率和大電流。此外還可對各個通道，施加預充電流程所要求的較低電壓和電流，包括在低至甚或低於0V的電壓下運作。 KeysightBT2152B自放電分析儀 BT2152B自放電分析儀可量測鋰離子電芯的自放電電流，它採用恆電位量測技術，可顯著縮短辨別電芯自放電效能優劣所需的時間。它還可大幅減少工廠中的電芯在製品庫存量，以節省空間和能源。 滿解足決電方動案車電池需求的關鍵：品質與生產力 圖5：汽車OEM製造商和電芯製造商使用是德科技電池測試解決方案，來開發適用於新車型的電芯、電池模組和電池組 在超級工廠中生產高效能EV電池電芯之前，您需在實驗室中進行深入的研究與開發，以制定經過嘗試、測試和微調的藍圖，確保整體流程符合精確的電芯量測效能要求。這個過程涵蓋從設計高密度和高容量的電芯化學成分，到進行電芯模組和電池組組裝和現場測試，其中每一個階段都需要準確可靠的電池測試解決方案。這些電池還需通過嚴格的測試，確保電動車即便在惡劣的道路上行駛，仍能維持良好的效能和安全性。 是德科技是電源供應器、分析儀，以及電源模擬硬體和軟體解決方案領導廠商，憑藉多年累積的專業知識，我們可協助汽車製造商及其電池製造合作夥伴，輕鬆設計、驗證並生產更出色的電池。立即查看我們的解決方案： •分析自放電電流特性 •靈活的電芯化成和生命週期循環解決方案 •EV電池電芯測試 •驗證EV電池模組設計 •高功率EV電池組測試 展開您的創新之旅。 是以德突科破技工致程力設於計協的助極創限，新進者而快建速立解最決卓設越