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动力电池结构件专题分析:空间、工艺、格局

2023-03-30 1289
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   动力电池精密结构件,广义来讲包括电芯顶盖、钢/铝外壳、正负极软连接、电池软连接排等,狭义来讲主要包括电芯壳体和顶盖,对锂电池的安全性、密闭性、能源使用效率等都具有直接影响。按照电池封装技术路线的不同,主要有方形、圆柱、软包三种形状,对应的结构件分别为方形结构件、圆柱结构件和铝塑膜。
整体来看,圆柱和方形统称为硬壳,封装结构较为相似,均由壳体和盖板组成。软包电池封装较为特殊,由铝塑膜构成。



   工艺端:精密制造 

   盖板的主要生产工艺包括冲压、焊接、注塑等,壳体的生产工艺主要是冲压、拉 伸。铝塑膜的主要生产工艺包括精密涂布、贴合等。


   对结构件的需求来自于电池封装。目前,主流的电池封装技术主要有方形电池、圆形电池以及软包电池三类。动力电池的安全性和使用寿命都受其封装工艺的影响,不同的封装技术都具有不同的技术壁垒。封装工艺设计除需满足耐撞击振动和挤压穿刺的物理冲击外,也需满足防火阻燃等化学性能要求。


 
   硬壳结构件:盖帽是关键,防爆片铝材有待降本
   硬壳结构件包括圆柱和方形结构件,通常由壳体和盖板组成。其中,盖板的制造工艺复杂度通常远高于壳体。
盖板
   盖板的主要功能包括:
   1)固定/密封功能:顶盖与铝壳激光焊接,包裹固定裸电芯并实现密封作用;
   2)电流导通功能(极柱):在电池中,顶盖极柱、转接片和电芯极耳焊接导通,保证电芯充放电电流导通的功能;在模组中,顶盖极柱与汇流排激光焊接、螺栓连接,形成串/并联;
   3)泄压功能(防爆片):当电池出现异常,内部气压增大至一定值,顶盖防爆阀将开启进行泄压,降低爆炸风险;
   4)熔断保护功能(翻转片):当电池出现异常,内部气压增大至一定值,顶盖翻转片向上顶起,与负极铆接块接触,使顶盖正负极直接短路,同时铝连接片Fuse熔断,快速切断电流;
   5)降低电腐蚀:正极上塑胶采用导电PPS,保证正极柱与顶盖板间有一定阻值,降低正极柱与铝壳间的电位差,防止顶盖板/铝壳电腐蚀,进而提高产品质量和使用寿命
   盖板中重要部件主要有:
   1)防爆片:一般磷酸铁锂体系电池顶盖采用单个防爆阀设计,防爆阀开启压力一般为0.4~0.8MPa。当内部压强增大并超过防爆阀的开启压力时,防爆阀将从刻痕处破裂并开启进行泄压;
   2)翻转片:三元体系电池除了采用防爆阀外,还会叠加SSD翻转片组合设计形式,防爆阀开启压力和SSD翻转压力一般分别为0.75~1.05MPa、0.45~0.5MPa。当电池内部压强增大至SSD 翻转压力时,翻转片向上顶起,快速切断电流;
   3)极柱:主要是起到电流导通作用。通常正极采用铝极柱,负极采用铜铝复合极柱。
壳体
   壳体的制造相对简单,主要采用连续拉伸工艺。由于盖板集成部件较多,工艺较为复杂,且在实际作用时,防爆阀开启后电解液容易飞溅至盖板接线造成二次事故,因此出现了将防爆阀转移至壳体的现象。

   铝塑膜:国产替代进行时
   与圆柱、方形电池的硬壳不同,软包电池采用铝塑膜封装。铝塑膜由铝箔、多种塑料和粘合剂(包括粘接性树脂)组成,按照制作工艺区分,主要有干法和热法两种。相比热法铝塑膜,干法铝塑膜更加适用于大倍率、高能量动力电池,应用更加普遍。
   因为与电池的内部材料直接连在一起,所以电解液会浸润到铝塑膜的内层,故要求其具备以下性能:
   1)极高的阻隔性;2)良好的热封性能;3)内层材料耐电解液及强酸,不与电解液反应;4)良好的延展性、柔韧性和机械强度。
   在结构上,铝塑膜为一种三层膜的复合材料,主要由尼龙层(ON)、铝箔层(AL)、流延或未拉伸聚丙烯层(CPP)相互粘合后构成。根据铝塑膜厚度的不同,可分为88μm、113μm、152μm,其中厚度152μm的铝塑膜适用于动力电池,而更薄的88μm和113μm适用于3C领域。




   在成本上,铝塑膜占到整只电芯的18%,仅次于正极(30%)和电解液(25%),属于占比较大的一种成分。在铝塑膜本身的构成中,铝箔的成本占到65%。在铝塑膜的原材料中,铝箔是核心材料,厚度5-9μm,国内产能较丰富,领先的压延铝箔企业包括华西铝业、渤海铝业、河南神马等,但国内产品在性能方面不及国际产品,主要供应中低端3C消费电子领域。CPP(流延聚丙烯薄膜)主要起到封口作用,国内生产企业主要有佛塑科技、广东仕诚、佛山俊嘉等,但产品主要用于低端3C消费电子领域。BOPA(双向拉伸尼龙薄膜)位于最外层,主要起到保护作用。国内厂家主要有沧州明珠、佛塑科技、厦门长塑等,但主要应用领域为3C消费电子领域。综上,国内原材料主要应用于3C消费电子领域,在软包动力电池领域所需原材料仍依赖进口。



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