格林晟鲁树立:电池安全与自动化设备设计

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未来硅碳负极对高能量比高续航里程的电池带来一个很大的膨胀的问题,制成过程中就会有一些膨胀的变形,充放电过程中就会出现一些安全隐患的问题。

文为NE时代和同科芯能于10月16-17日联合主办的 "2019中日韩下一代新能源汽车电池技术大会"演讲嘉宾的现场实录。

演讲人:深圳格林晟科技有限公司总经理鲁树立

演讲主题:电池安全与自动化设备设计

各位来宾,各位朋友大家下午好。 我叫鲁树立,来自于深圳市格林晟科技,这么多嘉宾里面我是唯一 一个做自动化设备的,也是想从这个设备的角度来讲一下关于电池安全跟自动化设备的一些设计的关联问题。

我们首先来看一下整个动力电池目前的发展的一些状况,目前整个这个行业尤其是在2019年应该就有点像深秋的下午应该是比较箫瑟,可能未来还有寒冬。 应该来说随着国家一些石油的战略政策问题,还有国6的快速推广,还有环境各方面来讲,应该讲动力电池在未来即使补贴取消之后,后补贴时代还有很大的发展机遇,包括5G时代的数码电池,可能5-10年之后会是多种燃料并存的局面。

动力电池未来的趋势随着大众BEV平台的规划,还有成本的压力越做越大,能量密度越来越高,带来更多可能安全性制造各方面的问题。 我们做的电池的种类以方壳比较多,目前为止出货比较大的还是方壳电池,随着355、390的软包,比能量提升对叠片的诉求,还有软包电池的需求未来在软包电池还有一些新的高能量电池有新的机会。 电池行业不管性能、安全、成本几个方面展开还是存在很多的问题,包括高能量密度技术,现在300Wh/kg,有的已经做到3.0,还有硅碳负极的应用。

未来硅碳负极对高能量比高续航里程的电池带来一个很大的膨胀的问题,不可避免为电芯的装配制造,不要说在车上使用在制成过程中就会有一些膨胀的变形,充放电过程中就会出现一些安全隐患的问题,相比来讲未来的叠片可能会更加适应这种趋势。 但是叠片电池又会存在有一些其他的问题,更多的毛刺的可能性,还有粉尘的颗粒。

另外一方面讲安全的时候,一方面大家对成本的这种需求又是一个比较迫切的东西。 可能大家理解就是说未来模组要不超过六毛钱,成本不断降低,材料也要降价。 设备一方面做更高的效率,一方面价格有20%甚至30%的下降带给大家的压力还是很大的,这个是当时做过对比,很多设备做一些国产化之后,可能在一些设备的折旧,设备采购的投入,还有一些人工包括一些保全维护方面应该在1Wh上面有一定程度的节约。 目前国内厂家有锰酸锂电池制作费用应该到九分五,这是目前来说电池制造体系里面成本最低的了。

另外一个大家今天也讲到了很多关于电池过程中的安全事故,对于我们设备来讲我们做装配的人安全设计上面首先考虑人员的安全,其次是设备的安全,再一个即使出现了问题之后我们能把损失降到最低。 我们是做装配的,就像以前很多项目配套供应商做机加工厂一样,每年手指碰一下,磕一下,客服员工在现场也会出现一些小的安全事故,我们对安全的意识也是比较强,尤其是设备的设计方面。

从电池的安全因素包括说今天很多讲的热失控,很多就是对于我们设备来讲就是短路或者微短路,对于设备的角度可能更多的就是要解决这个极片的毛刺,尤其是叠片有四个边,软绕分条之后要多很多毛刺的可能,粉尘,金属的异物,包括电芯的对齐度,还有电解液本身的分布跟吸收,因为高能量比电池之后电解液的浸润会越来越困难。 毛刺角度来讲比较集中的因为分切技术是已经成熟的,对于现在目前来说,可能不管是卷绕和叠片在五金模切和激光模切,还有叠片这块。 从五金模切不管模具的支撑稳定,精度保证等等还有钢具的除尘系统。

粉尘的管控我们应该是国内第一个使用了机器人来做叠片级厂家,这种高速运动部件要尽可能的杜绝粉尘,包括在吸盘、机械手、管道加工各方面要尽可能的杜绝金属异物的产生来保证在裸电芯状态的时候不要有金属的异物进去。 整机的FFU,局部小环境的设计,甚至我们也在尝试做一些借鉴半导体面板里面的超声波的除尘。 还有预定位,现在目前来说叠片工艺基本上取消掉了机械定位,都用的CHD的预定位,刀下除尘,叠片机第一个使用了在线粉尘测试仪,监控切刀之后粉尘的流向跟未来如何去考虑怎么样管控这个微负压,管控粉尘流的问题,包括皮带的自清洁。

正负极的错位,隔膜褶皱、极耳翘角、极片折伤都可能会带来安全问题,预定位用灵敏密度更高的CCD平台,电芯叠片完成之后用专用的夹具,胶带也可能会有影响,后面可能会取消这一种胶带,用点胶的方式,或者用隔膜热平压的方式。 我们在叠片台上做一些高精度的在线的监测,我们在高速叠片过程中会发现因为要错开压板的位置,这种机器人的叠片不管在稳定,在四个角的位置CCD检测还是会有风险,移动中可能会有抖动会造成这个位置在检测的不准确而造成叠片对齐度的误差也有可能会导致安全的隐患问题。

对于高能量比的电池来说注液的浸润越来越困难,梯度真空作业,拍打的方式,软包利用振动的方式,离心的摆动方式辅助更加的浸润。 甚至用超声棒的方式来检测电解液在电芯里面的分布状况,是不是有气泡,或者有一些其他的不太理想的状况会产生这种安全的隐患。

从安全跟成本这两个角度关联下的设备发展趋势,我们主要是做叠片这种设备,叠片这个环节,包括所有接触到极片的部分,所有接触到电芯的部分都特别注意,包括粉尘测试仪的应用。 用高速机器人,尤其是高镍的三元电池对锌镍铜的禁用,对上方的运动部件对金属异物的跌落要相当重视,我们要把钱用在刀刃上,一方面降成本,一方面特意的管控这种状况。 甚至这种门的铰链,我们也是使用了工程塑料,防止门打开的时候因为铰链导致的金属摩擦,电池安全我们在几年前开玩笑说过电池的安全问题最高的境界是你有机会能够把锂离子电池做到说在第几个循环爆炸就在第几个循环爆炸,这就是最高标准。 国内很多圆柱厂家,做过实验就是拿自己的金属叠片放到里面实际上也不会爆炸,就是你想让它炸的时候也不会炸。

安全成本设计规范讲做到速度要快,占地面积要小,对环境的管控越来越严。 0.4秒单工位速度叠片机,只有高速的叠片才会带来未来软包叠片更多的应用,0.4秒单工位有几秒已经做出来了。 0.25秒的叠片还在开发当中,未来倍速链的运输可能会运输,用磁悬浮的高速运动,对叠片的保护更加重要。 甚至隔膜的自动物流防护都会注意,最早隔膜现在很多陶瓷在运输过程中防护如果不注意有可能会有这种陶瓷碎片的凋落,在最早做3C类的数码电池的时候曾经出过这种状况。

这是我们新开发的这种高速的双工位的切叠一体机,用了很多CCD的检查来做极片不良的识别确保有缺陷的极片不流于电芯里面去,这种方式确保不会有什么以前存在多片、少片、缺角、撕裂、翘角这种方式进去。 这是我们最新在研发的一个跟电电池厂商在考虑规划的,因为产生毛刺跟粉尘在叠片工序里面,电芯的组装工序里面最多的就是模切叠片或者卷绕的环节,因为有大量切断跟粉尘的可能,我们考虑把这个模切跟叠片放在不同的车间中间,中间通过这种极片的存储车间,用分流的设计保证正负极不要有交叉感染,粉尘不会往电芯在叠片的工序环节上面进到叠片机位置,各自往正负极位置跑。 叠片的电芯从上方去走,不走中间和底层,这样有一个比较好的保护作用,因为整个厂房的净化会有分流的结构。

数据化因为我们做装配的时候不光要做到这点,我们怎么去管控。 所以我们很多讲智能制造,我们的理解就是说怎么样通过物流来构建这个智能制造,当然我们有工厂一体化仓库,原材料仓库,工厂级物流,设备里面机器人的搬运,电动滑台也是物流,还有数据流西门子做的这种,ERP-SAP,MES的系统,还有蔚至迪做的MES系统。 松下他们开始特意提到很头疼的金属异物流。

这个是大家做的很多一体化的仓库,包括这种工厂管理上午有提到过一个切刀用4000次,谁不是4000次结束了,我们要用IP平台的支持,首检的时候检查一千次对应的毛刺是多少,两千次对应的毛刺是多少,这个刀本来应该是80万次修模,但是因为切的更薄的片应该在60万次就需要修模,这些都需要数据化,通过软件系统来记录监测做监控。 甚至有些员工这个机器操作的时候可能认真一点就会好一点,我们要知道这台设备是操作的,因为在机器运行的时候就会把员工的工牌读进去,通过这些基本的MES管理系统,包括数据、报警维修的一些状态,真实的状态包括有些备品、备件是否合理合适,寿命是不是可以,之前的工程经验的参数是不是准确的。 热滚轧可能有一个弹性变量,如果经验值做不好可能用热滚轧的方式还不如直接用冷轧就OK了。

设备级物流更多后面会用磁悬浮的方式,加减速更加平稳,摩擦的过程中金属异物跟粉尘会很少。 另外一个你要做工序集成,要做很多的数据系统,包括要做小环节的控制,很多要做到宝马、奔驰、未来的S05标准要做到百级,占地面积一定要小,不然你的环境运营成本高,未来有很多工序集成,模切跟叠片的集成,甚至有没有可能卷对卷的烘烤跟极耳成型,二次的碾压,切段,极片的运输。 人工的降低,我们做自动化设备的本身就是取代人工的只有减少人工对整个制成环节的干预整个安全隐患至少是比较可控的。

未来这种模拟仿真状态下3D的监控效果不仅这样做了而且能够随时抽查到到底是不是有问题,我们这个东西看起来很高大上。 我曾经在日本欧姆龙的工厂看到一个很简单的MES的案例,就是把一个合格证PLC还有几个螺丝放在一个盒子里面包装,有时候会漏掉一个合格证或者漏掉一个什么东西,用智能料价手伸进去的时候再拿出来就证明你拿过了,如果忘了伸进去拿东西最终结束的时候就会报警,这是智能的防盗的料架,当然手伸进去故意不拿东西那它是没有办法的,因为它还是借助与人工的MES的管控。 我们这个时候里面很多使用消防系统,自己也做软件支持红外的相机监控电芯的表面温度,达到这种对消防设备安全的监控。

以上只是我从设备的角度讲一下如何从毛刺软件的监控角度讲一下电池的安全跟设备的关联,我们做设备的还是从安全稳定的角度脚踏实地做好,服务于各位专家的工艺路线,未来的一些新的工艺路线,谢谢大家!

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