解密18650電芯生產(chǎn)全過(guò)程

鋰電池是目前數碼領(lǐng)域使用最多的電池。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高，適用于非常注重體積、便攜的數碼產(chǎn)品。同時(shí)，相對于以往的干電池，鋰離子電池可以循環(huán)利用，在環(huán)保方面也有優(yōu)勢。鋰離子電池的正負極材料都可以吸收、釋放鋰離子。但是鋰離子在正極和負極中的化學(xué)勢能有所不同。負極中的鋰離子化學(xué)勢能高，正極中的鋰離子化學(xué)勢能低。鋰離子放電時(shí)，負極中存儲的鋰離子釋放出來(lái)，被正極所吸收。由于負極中鋰離子的化學(xué)勢能高于正極，這部分勢能差就以電能的形式釋放出來(lái)。充電過(guò)程則是上述過(guò)程的逆轉，將正極中的鋰離子釋放到負極中。由于這種鋰離子在正負極中的來(lái)回遷移，鋰離子電池又被稱(chēng)為搖椅電池。

18650是目前最常見(jiàn)的鋰電封裝方式，無(wú)論是當下最流行的三元材料，還是國家力推的磷酸鐵鋰，以及尚未普及的鈦酸鋰，均有18650的規格。18650型電芯，采用Cylindrical圓柱形封裝方式，這種電芯直徑18mm，長(cháng)度65mm，廣泛應用于充電寶、電動(dòng)車(chē)、筆記本、強光手電筒等領(lǐng)域，這類(lèi)封裝的好處是規格統一，方便自動(dòng)化、規?；a(chǎn)，具有機械強度高、耐沖擊性強、良品率高等特點(diǎn);此外還有Prismatic方形軟包封裝，常見(jiàn)于手機和平板電腦，這類(lèi)封裝最直接的好處是輕薄，體積小，便攜。

在筆記本電腦時(shí)代，18650電芯還只是數碼產(chǎn)品的幕后英雄。隨著(zhù)智能手機和平板等智能設備的普及，移動(dòng)電源成為了人們出行必不可少的裝備，18650也得以開(kāi)始從幕后走向前臺，被大眾所熟知。那么，看似簡(jiǎn)單的18650電芯是如何誕生?它有什么秘密呢?接下來(lái)，讓我們一起去探索它的誕生過(guò)程。近日筆者有幸進(jìn)入東莞一家電芯廠(chǎng)拜訪(fǎng)學(xué)習，將從涂布、組裝、測試三方面圖文并茂，為大家介紹18650電芯的誕生過(guò)程。

電芯的生產(chǎn)過(guò)程一：涂布

進(jìn)入生產(chǎn)車(chē)間之前，需要戴上口罩和鞋套，避免吸入粉塵和產(chǎn)生靜電。首先從涂布工藝了解起，這道工序中可以看到大卷的銅箔(黃色)和鋁箔(銀色)。鋁箔，是用來(lái)涂布鎳鈷錳NCM三元材料;反之，銅箔是用來(lái)涂布負極活性材料石墨;其中白色的為隔膜。全球鋰電池隔膜主要被Asahi、Celgard、SK、toray、W-SCOP等廠(chǎng)商占據，這些國外企業(yè)把持了近70%的市場(chǎng)份額。而中國隔膜企業(yè)所占的市場(chǎng)份額約30%，鋰電池隔膜自主國產(chǎn)化正在不斷突破。電芯的容量，是根據這些配方的調配比例面積得來(lái)。

一整卷涂布完成的正負極材料寬約126mm，接下來(lái)還需要裁剪成寬度約18mm的7小卷，每卷都會(huì )均勻分成若干段，每一段代表一顆電芯所需的用料。據電芯廠(chǎng)工程師徐工介紹，目前三元正極材料每噸售價(jià)為12萬(wàn)元，每噸材料可以用于生產(chǎn)5萬(wàn)只電芯;當前電芯產(chǎn)能日均50萬(wàn)只，需要用到10噸三元正極材料，光這一項開(kāi)支每日就需要60萬(wàn)元。

自動(dòng)化的機器將每段打上鎳帶和絕緣耐高溫的麥拉片(Mylar)，下一步進(jìn)行5個(gè)級別的稱(chēng)重，分別是偏重、A1、A2、A3、偏輕。這個(gè)跟CPU晶圓挑選一樣，同一批切割工藝，也會(huì )出現不同體質(zhì)，根據不同體質(zhì)再分出對應容量，配對出貨。

電芯的生產(chǎn)過(guò)程二：組裝

這家電芯廠(chǎng)分為三棟樓，其中一棟三層是生產(chǎn)線(xiàn)，另外兩棟是辦公室和宿舍。生產(chǎn)線(xiàn)一樓涂布、二樓組裝、三樓測試。參觀(guān)完一樓后，進(jìn)入二樓的組裝環(huán)節。

分類(lèi)好的正極和負極，將在這里完成全自動(dòng)卷包，白色的材質(zhì)是隔膜。電芯這樣還不能正常工作，需要加入電解液作為媒介，讓正負極發(fā)生化學(xué)反應，鋰離子才能夠在正負極之間遷移，產(chǎn)生電荷離子輸出能量鋰電池才能進(jìn)行充放電。自動(dòng)化卷包好后直接滾落在了流水線(xiàn)上，進(jìn)入下一個(gè)組裝步驟裝入鋼殼。

鋼殼是一體沖壓成型，厚度不足1mm，因此對鋼材強度質(zhì)量要求很高，這家電芯廠(chǎng)選用的是進(jìn)口韓鋼材料。

這一步將負極極耳與鋼殼底部通過(guò)點(diǎn)焊的方式連接。該廠(chǎng)采用了日系Miyachi激光點(diǎn)焊機，確保了點(diǎn)焊精度和產(chǎn)品質(zhì)量。點(diǎn)焊機無(wú)法焊接鋼殼底部，組裝小妹的手中有一個(gè)銅釘，先從預留的小洞插入底部，然后放入點(diǎn)焊機，咔嚓一下，負極就打好鎳帶與鋼殼底部連接好了。

電解液在密封箱充滿(mǎn)惰性氣體氬氣的手套箱中內注入，密封箱手套內氧氣濃度必須低于10ppm(接近無(wú)氧真空環(huán)境)，防止電極氧化。電解液氬氣通過(guò)循環(huán)凈化裝置輸入密封箱， 裝置里頭有催化劑和還原劑氫氣，通過(guò)氫氧反應生成水可以把氧氣除去。同時(shí)，裝置中的干燥劑吸收水分，保證箱內氣氛的干燥。

注入電解液后的電芯，已經(jīng)通過(guò)激光焊接將蓋帽與鋼殼連為一體。一排排整齊有序的堆放著(zhù)，整裝待發(fā)。

一只新的電芯就這樣誕生了。每一只電芯都需要穿上按容量分類(lèi)的“新衣服”PVC套管。

不同的容量對應了不同的PVC封套，這里我們看到了綠、藍、粉等多個(gè)色，豐富的外觀(guān)顏色增添了電芯時(shí)尚感。

電芯的生產(chǎn)過(guò)程三：首次充電和測試

電芯在注入電解液后，實(shí)際上還沒(méi)有存上電，而且此時(shí)正負極表面的狀態(tài)也沒(méi)有達到穩定，必須通過(guò)首次充電才能夠正常使用，這種首次充電稱(chēng)之為“化成”。首次充電時(shí)需要充入額外的電量，用來(lái)在電極表面產(chǎn)生保護膜，這層保護膜正是鋰離子電池低自放電的奧秘所在。同時(shí)，保護膜的性質(zhì)也影響電池的性能和壽命。因此，化成工藝十分重要?；刹捎梅秩莨裢瓿?。

電芯是化學(xué)品，為了保障使用安全和壽命，在出廠(chǎng)前需要做好配對按盒分裝，每盒200只。確保三個(gè)一致性：容量一致、內阻一致、電壓一致。如此方能正常出廠(chǎng)，否則把被打入冷宮，淪為B級、C級電芯。

第一個(gè)測試，容量。為了確保容量測試的準確性，該廠(chǎng)采購了行業(yè)領(lǐng)先的貝爾全自動(dòng)分容柜，滿(mǎn)足每日上萬(wàn)只的分容需求。新誕生的電芯，需要做5個(gè)循環(huán)老化測試，把不能工作或者容量有偏差的挑選出來(lái)。依據國家標準GB/T18287-2013《移動(dòng)電話(huà)用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范》，按照0.2C充放電測試。以合適的電流充電至4.20V截止(高壓版本需要充到4.30V或4.35V)，靜置一段時(shí)間(15min以上)使電池溫度接近室溫且電池內極化基本消散。測試采用0.2C放電至2.75V終止電壓，達到所標注的容量，才算合格。這里的C是一個(gè)倍率單位，以2600mAh電芯放電為例，0.2C則為520mA放電。

第二個(gè)測試，內阻?，F在電芯廠(chǎng)都配有內阻自動(dòng)篩選機器，可流水線(xiàn)篩選。18650三元材料，內阻在70毫歐以?xún)?，都算合格?低于30毫歐的算是特挑極品了。如果是磷酸鐵鋰或者鈦酸鋰，內阻能做到20毫歐以?xún)取?/p>

第三個(gè)測試，電壓。同一裝箱里面的電芯電壓3.7V±0.05，方便多節并聯(lián)或者串聯(lián)使用下，整箱抽出使用。每一箱的電芯都做過(guò)三個(gè)一致性配對，因此不推薦跨箱使用，這也是國際上通用的方法。

除了一致性測試，每一個(gè)批次的電芯還需要抽查完成撞擊、震動(dòng)、穿刺等數十項破壞性測試，杜絕隱患，確保每一個(gè)批次品質(zhì)最佳。

在此次工廠(chǎng)拜訪(fǎng)學(xué)習即將結束時(shí)，為了能近距離的了解電芯的安全結構，筆者將剖析一支全新的18650電芯，一探內部究竟。18650電芯在內部硬件設計有兩重保護，分別是CID(Current Interrupt Device)泄壓安全閥和PTC(Positive Temperature Coefficient)熱敏電阻。其中安全閥是每一顆18650電芯的標配，也是最重要的一道防爆屏障，沒(méi)有之一。

CID和PTC的工作原理：當電芯內部溫度異常，由于過(guò)充電、短路等原因產(chǎn)生大量氣體，氣壓升高到1.0-1.2Mpa時(shí)，安全閥上的碗型鋁片會(huì )向上彈起，與下面的鋁片脫離接觸，使電路立即斷開(kāi)，若是壓力繼續上升，安全閥將破裂，開(kāi)啟排除內部氣體使內部壓力釋放出來(lái)，避免壓力過(guò)高造成爆炸。而Prismatic方形軟包封裝的電芯，內部氣壓升高時(shí)，最常見(jiàn)的是“懷孕”鼓包現象。其次PTC熱敏電阻，當電池輸入輸出電流過(guò)高時(shí)，PTC會(huì )發(fā)熱升溫，當溫度達到預設值時(shí)，PTC電阻會(huì )突然增大，切斷外界電流輸入電芯或阻止電芯內部電流輸出，讓電芯停止工作。除了以上兩者外，電池還有不為人知的第三道防線(xiàn)——隔膜。當電池升溫到160攝氏度以上時(shí)，隔膜中的微孔會(huì )閉合，使正負極被物理隔離，電池自然不會(huì )再輸出電流。

既然18650電芯本身是如此安全，為何移動(dòng)電源起火事故依然不算罕見(jiàn)呢?奧秘就在移動(dòng)電源本身。移動(dòng)電源的外殼等組件往往常用到塑料。塑料本身是易燃物，遇到高溫可以自燃。合格移動(dòng)電源的USB輸出有短路保護，所以當輸出被短路時(shí)不會(huì )有大電流通過(guò)。但是移動(dòng)電源內部還有從18650到電路板的鎳片或者導線(xiàn)等連接。若是這部分不幸短路了，那么輸出短路保護是完全無(wú)能為力的。而18650電芯本身的PTC只是在電池本身過(guò)熱之前能夠切斷電池的電流，由于電池的熱容量很可觀(guān)，升溫沒(méi)有那么快，或許在導線(xiàn)、鎳片都燒紅的情況下，電池還沒(méi)有熱到切斷輸出。這樣燒紅的鎳片和外殼的塑料接觸，發(fā)生火災也就在所難免了。

合格的移動(dòng)電源往往對18650到電路板的導體進(jìn)行多重絕緣，且所用的絕緣體是耐高溫300度的高溫聚酰亞胺膠帶(麥拉片)和阻燃的青稞紙。同時(shí)這段導體有適當的固定設計，防止機械沖擊下導體移動(dòng)或變形。從而最大限度的保證短路不會(huì )發(fā)生。但是山寨移動(dòng)電源就隨意的多，要么沒(méi)有絕緣，要么就是絕緣不充分。特別是18650頭部，由于此處有裸露的負極和絕緣外皮包裹的負極。同時(shí)正極鎳片也經(jīng)過(guò)這里，若是不額外增加絕緣保護，正極鎳片邊緣一旦劃破外皮，就會(huì )立即造成短路。而山寨移動(dòng)電源往往內部電池固定不好，電池晃來(lái)晃去，鎳片也彎來(lái)彎去的，這種概率更大了。

到此，一只18650電芯的誕生過(guò)程介紹完畢，隨著(zhù)工廠(chǎng)門(mén)口等待裝箱的貨車(chē)，他們將運往全國各地。即將開(kāi)啟一段新的奇幻之旅，化作充電寶來(lái)到你的手中。