宝马电芯开发遇到的坑总结—2022年5月宝马报告
近期看到宝马2022年5月16日的一则报告，里面有很多有意思的信息，也包括前期宝马电芯开发过程遇到的一些问题的总结，很有一些参考意义。
汽车零部件开发过程一般分为A样、B样、C样、D样等开发阶段，锂离子动力电池作为重要的汽车零部件自然也是参照汽车的开发流程对开发过程进行定义区分。但是，每家主机厂和每家电池企业对于电池开发过程有其自己的定义，会有一些区分。1）实验室原型第一阶段（Development Sample）：电池形式可以采用扣式电池、Swagelok电池、单层软包，电池容量一般小于0.2Ah，该阶段主要对新材料的基本性能进行验证；2）实验室原型第二阶段（Development Sample）：电池形式一般采用多层软包电池或小型圆柱电池，电池容量一般小于5Ah，该阶段主要对新材料的性能进行进一步的验证，包括循环稳定性、产气情况等；3）原型样品阶段（A-Sample）：电池这时采用的是最终产品一致的封装形式及结构设计，可以是圆柱电池、方形电池、或者软包电池，电池的容量一般在25-100Ah，这一阶段主要是材料应用，要掌握材料怎么使用，需要对目标电池设计进行验证，测试电池的安全性能、循环性能、储存性能等；这一阶段的核心就是对于电池设计进行验证；这一阶段电池产量一般在10-50只/天；4）试产样品阶段（B-Sample）：电池此时的形式和A样阶段是一致的，电池的容量也是25-100Ah，这一阶段主要是对电池工艺进行验证，包括过程能力验证与确认，这一阶段的样品开始送客户进行验证确认；这一阶段电池产量一般在1000-3000只/天；5）量产样品阶段（C、D-Sample、量产品）：电池此时的形式和A、B样阶段是一致的，电池的容量也是25-100Ah，这一阶段主要是对电池量产，量产产品会直接提供给主机厂；这一阶段电池产量一般在20万只/天。宝马电芯技术中心建设有干燥环境1000m2，目前有200名员工，其他的信息网上已经有很多就不介绍了。
对于电芯制作工艺，宝马将其分为三段：电极段（Electrode Production）、组装段（Cell Production）、化成段（Cell Activation）。涂布完的极卷在进行碾压时会出现图中出现的缺陷等问题，而这就有可能是涂布干燥后极卷中的残留溶剂含量不合适导致的。对应的解决措施可以是专门的溶剂残留试验，确定合适的溶剂残留量；也可以是对涂布干燥工艺进行优化，包括不同的材料、不同的面密度、不同的固含量时对应开展涂布干燥工艺验证。电极涂层的剥离强度不足会导致许多问题，例如如果剥离强度太小的话会导致极卷在分切或者模切/冲切时导致边缘掉料/毛刺，而这可能导致电池短路从而影响电池良率。而对应的解决措施可以包括：增加粘接剂的含量或者更换粘接性能更好的新粘接剂；优化干燥过程。尽管挤压式涂布具有很多优势，但也经常存在极片边缘出现厚度增加的现象（厚边），而极卷厚边会导致碾压时边缘过压并存在涂层剥离的风险，因此需要对涂布垫片和涂布工艺进行优化设计以避免厚边现象的出现，这需要做一些实验设计来分析涂布间隙、角度、浆料黏度等与极卷边缘厚度的关系，从而达到消除极卷厚边的目的。现在的锂离子电池一般要求更高的质量能量密度和体积能量密度，最直接的方式就是设计并制备更高压实密度的极片，但是高的压实密度会导致极卷在碾压时极卷变形（camber）（尤其是正极），而这主要是缘于涂层和箔材在压力下的延展差异较大导致的。而对应的解决措施包括采用带加热系统的碾压装置进行碾压，优化箔材等。叠片电芯（宝马方形电池采用的是叠片）遇到的一个常见的问题就是正负极的对齐问题，正常的电池设计要求负极能完全覆盖正极，但是实际过程由于种种问题会导致负极无法完全覆盖正极，这样就导致一些安全风险。可以采取的措施包括：及时调整叠片机以满足overhang的要求，设计更大的负极尺寸以留出更大的覆盖余量。电池在化成过程由于电解液的反应会有一定的气体产生，而不同于铝塑膜软包装电池，方形电池如果内部设计不合理等一些原因会导致化成过程产生的气体排放不充分，这样就导致局部的过电位较高和析锂产生，并由此会导致电池电性能和安全性能问题。而解决的措施包括合理的电池设计，尤其是其合适厚度的卷芯设计，此外活化制度也可以进行优化，例如采用小的活化电流，活化时外部施加一定的压力等。从A样的设计验证到B样的工艺过程面临的一个重要问题就是电池试制放量的问题，以混料工序为例：量产混料工艺可以采用行星搅拌、双螺杆挤出、球磨等方式，而量产选择什么样的方式取决于许多因素，其中直接有效的就是试验。通过试验对比行星搅拌和双螺杆挤出工艺得到的电池的电化学性能，最后根据试验宝马制造技术中心的选择是双螺杆挤出。此外，报告中对于开展A样的宝马电芯技术中心（BCCC）和开展B样的宝马制造技术中心的涂布段的差异也进行了总结。这里就不具体说了。
