锂电池10大关键制造工艺设备-注液设备技术详解！
目前的二次锂电池，多数都需要有电解液，有注电解液的工艺制程，实现这个制程的设备就是注液设备。
注液机概述
1.1 注液设备的重要性
锂电池电解液作用就是正负极之间导通离子，担当锂离子传输介质的作用，相当于肺部的血液作为氧气和二氧化碳交换的介质，可见电解液在整个电池内部的重要性。通用的锂离子电池电解液由无机锂盐电解质、有机碳酸酯和添加剂组成，作为锂离子迁移和电荷传递的介质，是锂离子电池不可或缺的重要组成部分，是锂离子电池获得高电压、高能量密度、高循环性能等优点的基础。
考核电池注液的最主要参数：注液量、浸润效果（充分且均匀）、注液精度，这三点都是由注液机的性能来实现的，因此注液设备在锂电池生产流程中也是非常重要的，直接影响到电池性能。设备主要参数分别介绍如下：
①注液量：要考虑满足电池设计要求，能把指定量的电解液全部注入电池。
②浸润效果：把电解液均匀地浸润到电池极片内部，使得极片的电化学能力发挥到最佳，浸润效果不完整的电池其性能一致性也会受到影响。在最短的时间内来实现最好的浸润效果，是注液机工艺能力的最重要体现。
③注液精度：反映了电池电解液量的一致性，反映电池性能的一致性，也反映了注液机的性能和能力。
注液机除了要实现以上三点来满足需求，还要考虑用最佳的注液工艺，用最快的时间、尽量少的注液次数、尽量少的空间、尽量少的人工、尽量少的成本来达成要求。
1.2 注液机原理
注液机注液的原理，就是在电池有限的内部容腔内（容腔内包括电芯以及未被充填的空间），通过一定的工艺方式（比如真空、压力、时间），把电解液注入容腔内，一部分电解液浸润到电芯（正负极极片、隔膜组成）内部，一部分占据未被充填的空间。全部注入电解液的量就是注液量。浸润到电芯内部的电解液越多，相对而言浸润效果就越好。把电解液浸润到电芯内部的时间越短，表面注液机的工艺能力越好。对于某个电池，实际注液量和设定要求的注液量的偏差，就是注液精度。对于同一批电池，注液量一致性越好，注液量越集中，注液重量的CPK值越大，就是注液机的整体性能越好。
1.3 注液机的种类
1)按电池种类分
①软包注液机。
②硬壳注液机，包括圆柱电池注液机、方形电池注液机。
2)按结构种类分
①直线式注液机，包括回字形结构注液机。
②转盘式注液机。
3)按注液工艺分
①真空注液机，一般指真空、常压呼吸式浸润方式。
②低压注液机，一般指加压静置时压力在0.3MPa以下，真空、压力交替循环的浸润方式。
③高压注液机，一般指加压压力在0.5～0.8MPa之间，真空、压力交替循环的浸润方式。高压能实现更好的注液、浸润效果，是目前注液机的发展方向。目前圆柱电池、方形铝壳电池（在等压方式的加持下）有一大部分是采用高压注液，软包电池还没有采用高压注液。
④超高压注液机，目前市面上还没有明确量产的超高压注液机，未来有更高静置压力的注液机，把加压压力在1～2MPa之间的注液机，称之为超高压注液机。未来对于更高能量密度的电池，有机会用上超高压注液机，这样注液后应该会减少后期的静置搁置时间。
4)按加压方式分
①差压注液机，一般指加压静置时，只对电池内部容腔加正压，电池内部和外壳外部存在压差，故称之为差压注液或差压静置。特别指出的是，对于方形硬壳电池，因为防爆膜以及方形外壳容易变形，差压注液机通常是低压注液机；对于圆柱电池比如钢壳18650/26650电池，差压注液机既可以是低压注液机，也可以是高压注液机。图1为高压-真空循环式注液原理示意图。
图1 高压-真空循环式注液原理示意图
②等压注液机，一般指加压静置时，对电池内部容腔以及电池外部同时加正压，电池内部和外壳外部不存在压差或压差很小，故称之为等压注液或等压静置。就其逻辑关系来说，高压是目的，等压是实现高压的手段，如果没有压力的存在，等压是不具有意义的。等压注液机使得方形铝壳电池也能实现高压注液。软包电池也可以采用高压等压注液方式。图2为常压-真空循环式注液原理示意图。
图2 常压-真空循环式注液原理示意图
1.4 注液机功能
①方形铝壳动力电池一次注液机包含以下功能：
a．上料：人工方式、机械手自动方式。
b．读码：条形码或二维码。
c．前称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
d．装盘：电池放进托盘、托架定位。
e．测漏：检测注液嘴是否密封。
f．注液：通过注液泵。
g．静置，真空、压力循环方式：高压方式，低压方式，等压方式。
h．出托盘：电池移出托盘。
i．后称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
j．密封注液孔：插入过程胶钉。
k．出料。
②方形铝壳动力电池二次注液机包含以下功能：
a．上料：人工方式、机械手自动方式。
b．读码：条形码或二维码。
c．前称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统，计算出二次注液的注液量（变量注液）。
d．装盘：电池放进托盘、托架定位。
e．测漏：检测注液嘴是否密封。
f．注液：通过变量注液泵进行变量注液。
g．静置，真空、压力循环方式：高压方式，低压方式，等压方式。
h．出托盘：电池移出托盘。
i．后称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
j．抽真空回氦：负压回氦，插入密封胶钉。
k．密封注液孔：插入过程胶钉。
l．出料。
③圆柱18650/21700/26650（先注液后焊盖帽）注液机一般包含以下功能：
a．上料：一般自动上料方式。
b．前称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统，计算出二次注液的注液量（变量注液）。
c．装盘：电池放进托盘、托架定位。
d．测漏：检测注液嘴是否密封。
e．注液：通过注液泵。
f．静置，真空、压力循环方式：高压方式，低压方式，等压方式。
g．出托盘：电池移出托盘。
h．后称重：NG排出。
i．出料。
④圆柱18650/21700/26650（先焊盖帽后注液）注液机一般包含以下功能：
a．上料：一般自动上料方式。
b．找正盖帽方向。
c．前称重：条码和质量绑定，数据计入MES系统，计算出二次注液的注液量（变量注液）。
d．装盘：电池放进托盘、托架定位。
e．分次注液：通过注液泵，一般5～6次注液。
f．分次静置，真空、压力循环方式：高压方式，低压方式，真空方式。
g．出托盘：电池移出托盘。
h．后称重：NG排出。
i．找正盖帽方向、折极耳。
j．把盖帽压平。
k．出料。
⑤软包电池注液机一般包含以下功能：
a．上料：人工方式、机械手自动方式。
b．读码：条形码或二维码。
c．前称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
d．装盘：电池放进托盘、托架定位。
e．测漏：检测注液嘴是否密封。
f．注液：通过注液泵。
g．静置：一般是真空、常压静置循环方式。
h．出托盘：电池移出托盘。
i．后称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
j．密封注液孔：热封方式。
k．出料。
⑥圆柱大铝壳一次注液机一般包含以下功能：
a．上料：人工方式、机械手自动方式。
b．读码：条形码或二维码。
c．前称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
d．旋转找正注液孔：一般通过CCD识别方式。
e．装盘：电池放进托盘、托架定位。
f．测漏：检测注液嘴是否密封。
g．注液：通过注液泵。
h．静置，真空、压力循环方式：高压方式，等压方式。
i．出托盘：电池移出托盘。
j．后称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
k．密封注液孔：插入过程胶钉。
l．出料。
⑦圆柱大铝壳二次注液机一般包含以下功能：
a．上料：人工方式、机械手自动方式。
b．读码：条形码或二维码。
c．前称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统，计算出二次注液的注液量（变量注液）。
d．旋转找正注液孔：一般通过CCD方式。
e．装盘：电池放进托盘、托架定位。
f．测漏：检测注液嘴是否密封。
g．注液：通过注液泵。
h．静置，真空、压力循环方式：高压-等压方式或差压方式。
i．出托盘：电池移出托盘。
j．后称重：条码和重量绑定，数据计入MES系统。
k．密封注液孔：插入过程胶钉。
l．擦拭注液孔。
m．出料。
1.5 性能指标
1)注液效率
①圆柱电池注液机效率：
a．18650/21700/26650（先注液后焊盖帽）电池的效率：分为80PPM、120PPM、200PPM、300PPM。
b．18650/21700/26650（先焊盖帽后注液）电池的效率：分为80PPM、120PPM。
c．圆柱大铝壳电池（外径32～50mm，高度80～273mm）的效率：目前量产是50PPM、72PPM，未来可能达到100PPM或更高。
d．圆柱大钢壳电池（外径32～26mm，高度80～160mm）的效率：目前量产线是60PPM、120PPM，未来达到200PPM或更高，46800如果是钢壳敞口结构注液，量产线效率应该可以考虑在80PPM、120PPM、160PPM、200PPM的梯次范围。
②电池铝壳动力电池注液机效率：
a．26148电池效率：通常在12～24PPM，未来会在24～60PPM区间。
b．50160电池效率：通常在12～24PPM，未来会在24～60PPM区间。
c．33230电池效率：通常在12～24PPM，未来会在24～48PPM区间。
③软包动力电池注液机效率：
软包动力电池：效率一般在6～24PPM。
④软包3C电池注液机：
软包3C电池效率：小软包注液机效率一般在12～24PPM。
2)注液精度
a．软包电池的注液精度：一般情况下0.5%。
b．18650电池注液精度：一般为±0.1g，考虑到称重系统本身的偏差，称重软件的设定偏差一般为±0.15g。
c．26650电池注液精度：一般为±0.12g，考虑到称重系统本身的偏差，称重软件的设定偏差一般为±0.18g。
d．圆柱大铝壳32130电池一次注液：一般为±1g。
e．圆柱大铝壳32130电池二次注液：一般为±1g。
f．方形动力电池一次注液机注液精度：一般为0.5%～1%。
g．方形动力电池二次注液机注液精度：一般为0.5%～1%。
设备组成及关键结构
2.1 外罩
①手套箱式。一般只用于实验室、小批量试制；可以选装自身配置除湿机，或者外接通干燥气，来控制内部含水量。单工位手套箱如图3所示。
图3 单工位手套箱示意图（单位：mm）
②钣金外罩，带一定的密封功能。内通干燥气；可以放在干燥房内使用，也可以普通房间内使用（自配一个过渡房）。钣金外罩结构如图4所示。
图4 钣金外罩结构示意图
③铝合金框架外罩。放置在干燥房中使用；对湿气体起着一定的隔断作用，对设备和人员起着安全保护作用。铝合金框架外罩结构如图5所示。
图5 铝合金框架外罩结构示意图
2.2 真空泵
①一般使用螺杆泵。
②放在注液机旁边的话，真空利用效率高，节能。
③放在较远处需要做管道过来，要考虑管道对真空造成损失，管道越长越细，真空流量和真空度损失就越大。
2.3 注液泵
①现在一般采用电动泵，泵头为陶瓷材料，而不是2010年之前一般采用的Hibar注液泵。
②电动泵有手动型和智能变量型之分，后者一般叫变量泵。
③电动泵的精度对于电解液一般是0.25%左右。
④注液泵在实际生产中要避免卡泵。
2.4 电解液中转罐
①电解液中转罐主要目的是电解液供应（给注液杯）控制在常压下，并保持微小范围内的恒定。
②电解液桶里的电解液因为充了氮气保护气体，压力在0.2MPa左右，在使用时压力会降低。
③电解液中转罐必要时可以采用两层-双罐结构，可以对上层罐子进行除气泡，以提高注液量的一致性和精度。
④必要时可以对电解液进行过滤。
⑤必要时可以安装压差变送器对过滤器进行监控。
2.5 读码系统
①采用读码枪对条形码或二维码进行识别读取。
②读取的信息会和称重数据绑定，在MES系统形成数据库。
2.6 称重系统
①包括机械手、机械手指、电子秤等。
②电子秤一般采用称重传感器和放大器分开配置，以便节省空间。
③称重传感器需要考虑防腐蚀性能。
2.7 MES系统
①MES系统主要包括电池条码、前称重、后称重、注液量偏差合格与否。
②MES系统可以实现一次注液和二次注液互相连接，以及整个工厂互相连接。
2.8 测漏系统
①有时候需要检测密封胶嘴和电池的密封性，密封NG的电池不注液。
②采用真空或压力保持的方式检测。
2.9 供液系统
①包括注液泵、阀门管路等。
②有些配有暂存杯，可以提高效率。
③有些采用移动注液针方式，用更少的泵给更多的杯子注液。
2.10 托架／托盘
①用于电池定位，一般根据不同的电池结构和效率要求设计不同的托架／托盘。
②有固定位置方式的托架，也有可移动方式的托盘。
2.11 静置机构
①静置机构包含注液杯、密封胶嘴、电池托盘、压紧机构、压力-真空阀门管路系统等。
②静置方式有以下几种类型：
软包电池一般采用真空—常压的循环静置方式；硬壳电池一般采用真空—常压—正压—常压的循环静置方式。
压力静置一般分为高压静置和低压静置，高压静置指压力超过0.5MPa，低压静置指压力低于0.3MPa。采用高压静置时，方形电池特别是带有防爆膜的电池，需要采用等压方式。
钟罩式静置机构如图6所示。装盘机静置单元站如图7所示。
图6 钟罩式静置机构示意图
图7 装盘机静置单元站示意图
2.12 进出料输送带
进出料输送带是电池进出注液机的自动连接后工序输送机构。
设备选择和应用案例
3.1 静置方式选型
①结合目前主流的注液机实际情况，设备选择主要是选择不同的静置方式，包括真空静置、低压静置、高压静置。
②软包电池注液机，目前基本上采用真空静置循环方式，笔者认为未来有可能出现高压-等压的静置方式，一方面这样的浸润效果更好，另一方面推测应该可节省后面的搁置时间。
③方形铝壳动力电池对设备选型的参考思路：
a．注液静置时间在10min之内的：主要推荐选用低压静置（差压方式）；
b．注液静置时间大于10min的：主要推荐选用高压-等压静置；
c．效率超过20PPM并且静置时间超过10min的：强烈推荐选用高压静置。
④圆柱钢壳电池(18650、21700、26650、32650、32130、46800)：
a．效率较低的，比如60PPM的18650，30PPM的32650、46800，可以选择差压方式的高压注液；
b．效率较高的，120PPM或200PPM的18650，60PPM以上的32650，以及未来46800系列，强烈推荐采用高压等压注液；
c．钢壳32130系列，电池较高，电解液浸润较为困难，强烈推荐采用高压-等压注液。
⑤圆柱铝壳32130系列：
a．效率较低的，或者它的二次注液，可以选择差压方式；
b．效率较高的量产线，比如效率超过30PPM，强烈推荐采用高压-等压注液，除非这款电池注液特别容易下液，浸润时间很短。
3.2 结构方式选型
①注液机的结构一般有转盘式、直线式、回字形（也是直线式的一种）方式，它们有一些区别。
②直线式又分为并联式和串联式，并联式是在同一个静置站完成全部静置时间，串联式是托盘电池经过所有的静置工位才完成全部静置时间。并联式的时间利用效率比串联式高不少。
③转盘式和并联直线式是一样的，回字形一般都是串联式的，串联直线式和回字形是基本一样的原理。
④不管哪种方式，关键都是电池流动、电池托盘的流动和循环使用。
⑤大型的注液设备，有可能是转盘、直线的混合体。
⑥软包注液机一般是转盘式或直线式。
⑦钟罩式高压-等压注液机，一般是并联式的直线式注液机。
设备使用和维护
①和其他自动化设备相比，注液机最大的特点电解液有腐蚀性，在使用和维护中要特别加以重视。
②尼龙(PA66)、赛钢(POM)、PU气管、亚克力板（有机玻璃）是不耐电解液腐蚀的，需要避免使用。
③电解液容易结晶，注液泵在长期停机前需要拆出来清洗泵头（陶瓷泵头），以免结晶卡泵。
④避免在有电解液的周围特别是下方有电器线路。
⑤导轨滑块要避免被电解液腐蚀。
⑥有条件的话，停产停机时也不要断供干燥气。
