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動力電池結構件專題分析:空間、工藝、格局

2023-03-30 2353
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   動力電池精密結構件,廣義來講包括電芯頂蓋、鋼/鋁外殼、正負極軟連接、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。按照電池封裝技術路線的不同,主要有方形、圓柱、軟包三種形狀,對應的結構件分別為方形結構件、圓柱結構件和鋁塑膜。
整體來看,圓柱和方形統稱為硬殼,封裝結構較為相似,均由殼體和蓋板組成。軟包電池封裝較為特殊,由鋁塑膜構成。



   工藝端:精密制造 

   蓋板的主要生產工藝包括沖壓、焊接、注塑等,殼體的生產工藝主要是沖壓、拉 伸。鋁塑膜的主要生產工藝包括精密涂布、貼合等。


   對結構件的需求來自于電池封裝。目前,主流的電池封裝技術主要有方形電池、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,不同的封裝技術都具有不同的技術壁壘。封裝工藝設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性能要求。


 
   硬殼結構件:蓋帽是關鍵,防爆片鋁材有待降本
   硬殼結構件包括圓柱和方形結構件,通常由殼體和蓋板組成。其中,蓋板的制造工藝復雜度通常遠高于殼體。
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密封作用;
   2)電流導通功能(極柱):在電池中,頂蓋極柱、轉接片和電芯極耳焊接導通,保證電芯充放電電流導通的功能;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;
   3)泄壓功能(防爆片):當電池出現異常,內部氣壓增大至一定值,頂蓋防爆閥將開啟進行泄壓,降低爆炸風險;
   4)熔斷保護功能(翻轉片):當電池出現異常,內部氣壓增大至一定值,頂蓋翻轉片向上頂起,與負極鉚接塊接觸,使頂蓋正負極直接短路,同時鋁連接片Fuse熔斷,快速切斷電流;
   5)降低電腐蝕:正極上塑膠采用導電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,進而提高產品質量和使用壽命
   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計,防爆閥開啟壓力一般為0.4~0.8MPa。當內部壓強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行泄壓;
   2)翻轉片:三元體系電池除了采用防爆閥外,還會疊加SSD翻轉片組合設計形式,防爆閥開啟壓力和SSD翻轉壓力一般分別為0.75~1.05MPa、0.45~0.5MPa。當電池內部壓強增大至SSD 翻轉壓力時,翻轉片向上頂起,快速切斷電流;
   3)極柱:主要是起到電流導通作用。通常正極采用鋁極柱,負極采用銅鋁復合極柱。
殼體
   殼體的制造相對簡單,主要采用連續拉伸工藝。由于蓋板集成部件較多,工藝較為復雜,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,因此出現了將防爆閥轉移至殼體的現象。

   鋁塑膜:國產替代進行時
   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,應用更加普遍。
   因為與電池的內部材料直接連在一起,所以電解液會浸潤到鋁塑膜的內層,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)內層材料耐電解液及強酸,不與電解液反應;4)良好的延展性、柔韌性和機械強度。
   在結構上,鋁塑膜為一種三層膜的復合材料,主要由尼龍層(ON)、鋁箔層(AL)、流延或未拉伸聚丙烯層(CPP)相互粘合后構成。根據鋁塑膜厚度的不同,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,國內產能較豐富,領先的壓延鋁箔企業包括華西鋁業、渤海鋁業、河南神馬等,但國內產品在性能方面不及國際產品,主要供應中低端3C消費電子領域。CPP(流延聚丙烯薄膜)主要起到封口作用,國內生產企業主要有佛塑科技、廣東仕誠、佛山俊嘉等,但產品主要用于低端3C消費電子領域。BOPA(雙向拉伸尼龍薄膜)位于最外層,主要起到保護作用。國內廠家主要有滄州明珠、佛塑科技、廈門長塑等,但主要應用領域為3C消費電子領域。綜上,國內原材料主要應用于3C消費電子領域,在軟包動力電池領域所需原材料仍依賴進口。



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