鋰電池結(jié)構(gòu)件精密加工產(chǎn)業(yè)鏈：動力電池精密結(jié)構(gòu)件
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。
圖為鋰電池結(jié)構(gòu)件產(chǎn)業(yè)鏈圖解
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。
圖為鋁塑膜流程
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。
圖為不同封裝技術(shù)電池結(jié)構(gòu)
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(shí)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(shí)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?yàn)榕c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。
圖為鋁塑膜結(jié)構(gòu)示意圖
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(fèi)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(fèi)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?yàn)?C消費(fèi)電子領(lǐng)域。綜上，國內(nèi)原材料主要應(yīng)用于3C消費(fèi)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。
圖片
圖為鋁塑膜產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D
動力電池模組連接片焊接方式
新能源動力鋰電池
新能源汽車需要使用鋰電池作為動力電池。動力電池即為工具提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池。其主要區(qū)別于用于汽車發(fā)動機(jī)起動的起動電池。
動力電池作為新能源汽車的核心零部件，其用來導(dǎo)電連接的配置就是其重中之重。動力電池電芯單體與模組母排之間的連接方式，不僅影響動力電池的制造效率，還決定動力電池生產(chǎn)是否可以實(shí)現(xiàn)自動化，其對動力電池模組裝車以后的性能表現(xiàn)同樣有不容忽視的影響。
動力電池模組連接片
動力電池模塊的連接片大多采用多層材料復(fù)合材料的方法，其中一層材料是連接件和極柱之間的連接層，以保證焊接性能。采用多層材料疊加，保證連接片的導(dǎo)電性。
連接板基板經(jīng)過多層箔堆疊后加工成型，可形成柔性區(qū)域，用于補(bǔ)償動力電池芯部膨脹引起的位移，減小對低強(qiáng)度界面的影響。
銅軟連接
動力電池模塊的連接件一般為矩形、梯形、三角形、臺形，連接面粘貼0.1厚的鍍鎳銅箔，焊接時表面在高溫下容易氧化變色，并在不破壞產(chǎn)品表面涂層的情況下進(jìn)行拋光清洗。這樣的產(chǎn)品不僅解決了整體電鍍的問題，還解決了電導(dǎo)率最大化的問題。
銅鍍鎳連接片最好，其次純鎳連接片，可是價格偏貴，最后是鍍鎳鋼連接片，鍍鎳鋼連接片價格相對便宜，并容易焊接。
各動力電池生產(chǎn)商選用連接片的厚度是不同的，因連接片的厚度關(guān)系到耗用材料的重量及整體動力電池模組的重量，降低厚度是動力電池模組向輕量化設(shè)計的方向。
鋁軟連接
動力電池模組常用的匯流排有：鎳片、銅鋁復(fù)合匯流排、銅匯流排、總正總負(fù)匯流排、鋁匯流排，銅軟連接、鋁軟連接、銅箔軟連接等。
動力電池模組連接的焊接方法
動力電池電芯單體與模組母排之間的連接方式，不僅影響動力電池的制造效率，還決定動力電池生產(chǎn)是否可以實(shí)現(xiàn)自動化，其對動力電池模組裝車以后的性能表現(xiàn)同樣有不容忽視的影響。
應(yīng)用于動力電池模組連接的焊接方法主要有：
1.電阻焊
電阻焊是一種以電阻熱為能量的焊接方法。電阻焊是利用電流流過工件接觸面和相鄰區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)，將其加熱到熔融或塑性狀態(tài)，同時加壓形成金屬結(jié)合。
電阻焊焊接時不需要填充金屬，生產(chǎn)率高，焊件變形小，易于自動化。為了防止接觸面上的電弧和鍛焊金屬，焊接時應(yīng)始終施加壓力。在電阻焊接過程中，待焊接工件的接觸表面對于獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。因此，在焊接之前，必須清潔電極和工件之間以及工件之間的接觸表面。
在動力電池的分組工藝中，電阻焊是比較成熟的工藝，應(yīng)用于動力電池連接片與匯流條的焊接，動力電池極與并聯(lián)導(dǎo)電條的連接等。
由于其設(shè)備簡單、成本低廉，在動力電池行業(yè)發(fā)展初期得到了廣泛應(yīng)用。近年來逐漸被更先進(jìn)的激光焊接和高分子擴(kuò)散焊所取代。
2.激光焊
激光焊接效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。在不斷改進(jìn)焊接工藝，限制成型過程中的熱影響以后，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越多，激光焊接配合工業(yè)機(jī)器人正在逐步成為自動化動力電池模組生產(chǎn)線的主力。
激光焊接
激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，激光焊接主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，激光焊接過程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。
3.高分子擴(kuò)散焊
高分子擴(kuò)散焊是新一代的擴(kuò)散焊機(jī)， 導(dǎo)電帶軟連接設(shè)備，主要由主機(jī)與控制兩部分組成，可實(shí)現(xiàn)高分子材料間的擴(kuò)散焊接廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶煉等行業(yè)，主要生產(chǎn)行業(yè)急需的母線伸縮節(jié)和軟連接導(dǎo)電帶產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)軟母線、軟母線與硬母線、硬母線之間的擴(kuò)散焊接。
其原理就是在一定溫度和壓力下，將待焊物質(zhì)的焊接表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過焊接面產(chǎn)生微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，使之距離達(dá)(1～5)×10-8cm以內(nèi)(這樣原子間的引力起作用，才可能形成金屬鍵)，再經(jīng)較長時間的原子相互間的不斷擴(kuò)散，相互滲透，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種焊接方法。
高分子擴(kuò)散焊是一種特殊的焊接工藝，能使用不同強(qiáng)度的銅箔在特定的區(qū)域焊接在一起，這種焊接工藝不需要使用任何形式的助焊劑，可實(shí)現(xiàn)完美的分子連接性，主要用于動力電池的軟連接。安裝接觸面可以承受任何形式的擠壓、彎曲、或者碰撞。由于安裝接觸面是定制的，所以它可以安裝到只有2mm的空間內(nèi)。
對于新能源汽車電池模組連接片的焊接來說，高分子這項工藝不需要焊料，就可以實(shí)現(xiàn)焊接，且焊接后質(zhì)量合格，外觀平整精美。且高分子擴(kuò)散焊機(jī)采用高頻變壓器，電壓低，從而可以有效降低了由高壓引起的絕緣和打火問題，增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性。
鋰電池蓋帽工作原理
一、電池蓋帽的作用與原理
（1）正或負(fù)極引出端
（2）溫度保護(hù)作用：PTC （電阻驟增，切斷電流）
（3）斷電保護(hù)功能：CID 電流斷開裝置
（內(nèi)壓上升→Vent翻轉(zhuǎn)→CID焊點(diǎn)拉斷）
（4）泄壓保護(hù)功能：Vent
（內(nèi)壓上升→Vent翻轉(zhuǎn)→CID焊點(diǎn)拉斷→壓力持續(xù)上升→ Vent破裂）
（5）密封功能：防水、氣入侵、防電解液蒸發(fā)
二、蓋帽的保護(hù)機(jī)制
（1）正常狀態(tài)
（2）CID 斷裂和Vent翻轉(zhuǎn)
（3）Vent 破裂
三、蓋帽壓力設(shè)計
（1）內(nèi)部壓力推動 vent 翻轉(zhuǎn)
（2）Vent 翻轉(zhuǎn)拉斷 CID 焊點(diǎn)
（3）控制點(diǎn): (1) vent 翻轉(zhuǎn)壓力,(2) CID 焊點(diǎn)拉力
CID 斷開壓力 =Vent 翻轉(zhuǎn)壓力+ CID焊點(diǎn)拉力的等效壓力
CID焊點(diǎn)拉力轉(zhuǎn)換為等效壓力：CID焊點(diǎn)拉力的等效壓力(MPa)=CID 焊點(diǎn)拉力(N)/78.5
四、蓋帽翻轉(zhuǎn)示例
監(jiān)控增加壓力后vent 翻轉(zhuǎn)高度；Vent 在 0.75MPa 翻轉(zhuǎn)。
4.1 下圖Vent翻轉(zhuǎn)壓力和高度數(shù)據(jù)關(guān)系圖
4.2 下圖為Vent翻轉(zhuǎn)后的實(shí)物照片
4.3 Vent 翻轉(zhuǎn)高度的檢驗(yàn)示意圖
五、蓋帽拉斷與翻轉(zhuǎn)關(guān)系
2.1 CID 焊接拉力希望越小越好？
對 Vent 翻轉(zhuǎn)影響小
2.2 焊接拉力太小可能出現(xiàn)的問題？
振動導(dǎo)致CID焊點(diǎn)斷開，然而CID 重量約0.1g， 0.1N 焊接拉力能抵抗100G 振動，因此我們可以忽略它的影響。
六、 焊接拉力對CID影響
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明焊接拉力在[16N,32N ]，對應(yīng)CID斷開壓力在[ 0.2MPa,0.4MPa]。說明焊接拉力對CID 斷開影響較小, CID斷開主要與Vent 翻轉(zhuǎn)壓力關(guān)系較大。
七、蓋帽設(shè)計要點(diǎn)
（1）減小蓋帽高度
（2）Vent雙面刻痕優(yōu)化為單面刻痕，Vent的爆破翻轉(zhuǎn)一致性更好
（3）利用硬鋁CID應(yīng)用，Vent刻痕不易拉伸變形其爆破一致性更好
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