18650鋰電芯的成長之路

鋰電池是目前數碼范疇使用最多的電池。其最突出的優勢是能量密度高，適用于非常重視體積、便攜的數碼產品。同時，相關于以往的干電池，鋰電池可以循環利用，在環保方面也有優點。鋰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勢能有所不同。負極中的鋰離子化學勢能高，正極中的鋰離子化學勢能低。鋰離子放電時，負極中存儲的鋰離子釋放出來，被正極所吸收。由于負極中鋰離子的化學勢能高于正極，這部分勢能差就以電能的形式釋放出來。充電過程則是上述過程的逆轉，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回遷移，鋰電池又被稱為搖椅電池。

18650是目前最常見的鋰電封裝方式，無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，長度65mm，廣泛使用于充電寶、電動車、筆記本、強光手電筒等范疇，這類封裝的好處是規格統一，方便自動化、規模化加工，具有機械強度高、耐沖擊性強、良品率高等特點;此外還有Prismatic方形軟包封裝，常見于手機和平板電腦，這類封裝最筆直的好處是輕薄，體積小，便攜。

在筆記本電腦時代，18650電芯還只是數碼產品的幕后英雄。隨著智能手機和平板等智能設備的普及，移動電源成為了人們出行必不可少的裝備，18650也得以開始從幕后走向前臺，被大眾所熟知。那么，看似簡單的18650電芯是要怎么樣誕生?它有哪些秘密呢?接下來，讓我們一起去探索它的誕生過程。近日筆者有幸進入東莞一家電芯廠拜訪學習，將從涂布、組裝、探測三方面圖文并茂，為大家解析18650電芯的誕生過程。

電芯的加工過程一：涂布

進入加工車間之前，要戴上口罩和鞋套，戒備吸入粉塵和出現靜電。首先從涂布工藝知道起，這道工序中可以看到大卷的銅箔(黃色)和鋁箔(銀色)。鋁箔，是用來涂布鎳鈷錳NCM三元材料;反之，銅箔是用來涂布負極活性材料石墨;其中白色的為隔膜。全球鋰電池隔膜緊要被Asahi、Celgard、SK、toray、W-SCOP等廠商占據，這些國外公司把持了近70%的市場份額。而我國隔膜公司所占的市場份額約30%，鋰電池隔膜自主國產化正在不斷沖破。電芯的容量，是依據這些配方的調配比例面積得來。

一整卷涂布完成的正負極材料寬約126mm，接下來還要裁剪成寬度約18mm的7小卷，每卷都會平均分成若干段，每一段代表一顆電芯所需的用料。據電芯廠工程師徐工解析，目前三元正極材料每噸售價為12萬元，每噸材料可以用于加工5萬只電芯;當前電芯產量日均50萬只，要用到10噸三元正極材料，光這一項開支每日就要60萬元。

自動化的機器將每段打上鎳帶和絕緣耐高溫的麥拉片(Mylar)，下一步進行5個級別的稱重，分別是偏重、A1、A2、A3、偏輕。這個跟CPU晶圓選擇相同，同一批切割工藝，也會出現不同體質，依據不同體質再分出對應容量，配對出貨。

電芯的加工過程二：組裝

這家電芯廠分為三棟樓，其中一棟三層是加工線，另外兩棟是辦公室和宿舍。加工線一樓涂布、二樓組裝、三樓探測。參觀完一樓后，進入二樓的組裝環節。

分類好的正極和負極，將在這里完成全自動卷包，白色的材質是隔膜。電芯這樣還不能正常工作，要加入電解液作為媒介，讓正負極發生化學反應，鋰離子才能夠在正負極之間遷移，出現電荷離子輸出能量鋰電池才能進行充放電。自動化卷包好后筆直滾落在了流水線上，進入下一個組裝步驟裝入鋼殼。

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

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

電解液在密封箱洋溢惰性氣體氬氣的手套箱中內注入，密封箱手套內氧氣濃度非得低于10ppm(接近無氧真空環境)，戒備電極氧化。電解液氬氣通過循環凈化裝置輸入密封箱，裝置里頭有催化劑和還原劑氫氣，通過氫氧反應生成水可以把氧氣除去。同時，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，已經通過激光焊接將蓋帽與鋼殼連為一體。一排排整潔有序的堆放著，整裝待發。

一只新的電芯就這樣誕生了。每一只電芯都要穿上按容量分類的新衣服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、粉等多個色，豐富的外觀顏色增添了電芯時尚感。

電芯的加工過程三：首次充電和探測

電芯在注入電解液后，實際上還沒有存上電，而且此時正負極表面的狀態也沒有達到穩定，非得通過首次充電才能夠正常使用，這種首次充電稱之為化成。首次充電時要充入額外的電量，用來在電極表面出現保護膜，這層保護膜正是鋰電池低自放電的奧秘所在。同時，保護膜的性質也影響電池的性能和壽命。因此，化成工藝十分緊要。化成采用分容柜完成。

電芯是化學品，為了保障使用安全和壽命，在出廠前要做好配對按盒分裝，每盒200只。確保三個一致性：容量一致、內阻一致、電壓一致。如此方能正常出廠，否則把被打入冷宮，淪為B級、C級電芯。

第一個探測，容量。為了確保容量探測的準確性，該廠采購了行業領先的貝爾全自動分容柜，滿足每日上萬只的分容需求。新誕生的電芯，要做5個循環老化探測，把不能工作或者容量有偏差的選擇出來。根據國家標準GB/T18287-2013《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池包總規范》，按照0.2C充放電探測。以適宜的電流充電至4.20V截止(高壓版本要充到4.30V或4.35V)，靜置一段時間(15min以上)使電池溫度接近室溫且電池內極化基本消散。探測采用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是一個倍率單位，以2600mAh電芯放電為例，0.2C則為520mA放電。

第二個探測，內阻。今朝電芯廠都配有內阻自動篩選機器，可流水線篩選。18650三元材料，內阻在70毫歐以內，都算合格品;低于30毫歐的算是特挑極品了。倘若是磷酸鐵鋰或者鈦酸鋰，內阻能做到20毫歐以內。

第三個探測，電壓。同一裝箱里面的電芯電壓3.7V?.05，方便多節并聯或者串聯使用下，整箱抽出使用。每一箱的電芯都做過三個一致性配對，因此不推薦跨箱使用，這也是國際上通用的辦法。

除了一致性探測，每一個批次的電芯還要抽查完成撞擊、震動、穿刺等數十項破壞性探測，杜絕隱患，確保每一個批次品質最佳。

在此次廠拜訪學習即將結束時，為了能近距離的知道電芯的安全結構，筆者將剖析一支全新的18650電芯，一探內部到底。18650電芯在內部硬件設計有兩重保護，分別是CID(CurrentInterruptDevice)泄壓安全閥和PTC(PositiveTemperatureCoefficient)熱敏電阻。其中安全閥是每一顆18650電芯的標配，也是最緊要的一道防爆屏障，沒有之一。

CID和PTC的工作原理：當電芯內部溫度異常，由于過充電、短路等原由出現大量氣體，氣壓升高到1.0-1.2Mpa時，安全閥上的碗型鋁片會向上彈起，與下面的鋁片脫離接觸，使電路立即斷開，若是壓力持續上升，安全閥將破碎，開啟排除內部氣體使內部壓力釋放出來，戒備壓力過高造成爆炸。而Prismatic方形軟包封裝的電芯，內部氣壓升高時，最常見的是懷孕鼓包現象。

其次PTC熱敏電阻，當電池輸入輸出電流過高時，PTC會發熱升溫，當溫度達到預設值時，PTC電阻會猛然增大，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隔膜。當電池升溫到160攝氏度以上時，隔膜中的微孔會閉合，使正負極被物理隔離，電池自然不會再輸出電流。

既然18650電芯本身是如此安全，為甚么移動電源起火事故仍舊不算罕見呢?奧秘就在移動電源本身。移動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。合格移動電源的USB輸出有短路保護，所以當輸出被短路時不會有大電流通過。但是移動電源內部還有從18650到電路板的鎳片或者導線等連接。

若是這部分不幸短路了，那么輸出短路保護是完全無能為力的。而18650電芯本身的PTC只是在電池本身過熱之前能夠切斷電池的電流，由于電池的熱容量很可觀，升溫沒有那么快，或許在導線、鎳片都燒紅的情況下，電池還沒有熱到切斷輸出。這樣燒紅的鎳片和外殼的塑料接觸，發生火災也就在所難免了。

合格的移動電源往往對18650到電路板的導體進行多重絕緣，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。同時這段導體有適當的固定設計，戒備機械沖擊下導體移動或變形。從而最大限度的保證短路不會發生。但是山寨移動電源就隨意的多，要么沒有絕緣，要么就是絕緣不充足。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。同時正極鎳片也經過這里，若是不額外新增絕緣保護，正極鎳片邊緣一旦劃破外皮，就會立即造成短路。而山寨移動電源往往內部電池固定不好，電池晃來晃去，鎳片也彎來彎去的，這種概率更大了。

到此，一只18650電芯的誕生過程解析完畢，隨著廠門口等待裝箱的貨車，他們將運往全國各地。即將開啟一段新的奇異之旅，化作充電寶來到你的手中。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除