钜大LARGE | 点击量：677次 | 2019年02月16日
18650锂电芯是这么诞生的
锂电池是目前数码领域使用最多的电池。其最突出的优点是能量密度高，适用于非常注重体积、便携的数码产品。同时，相对于以往的干电池，锂离子电池可以循环利用，在环保方面也有优势。锂离子电池的正负极材料都可以吸收、释放锂离子。
但是锂离子在正极和负极中的化学势能有所不同。负极中的锂离子化学势能高，正极中的锂离子化学势能低。锂离子放电时，负极中存储的锂离子释放出来，被正极所吸收。由于负极中锂离子的化学势能高于正极，这部分势能差就以电能的形式释放出来。充电过程则是上述过程的逆转，将正极中的锂离子释放到负极中。由于这种锂离子在正负极中的来回迁移，锂离子电池又被称为摇椅电池。
18650是目前最常见的锂电封装方式，无论是当下最流行的三元材料，还是国家力推的磷酸铁锂，以及尚未普及的钛酸锂，均有18650的规格。18650型电芯，采用Cylindrical圆柱形封装方式，这种电芯直径18mm，长度65mm，广泛应用于充电宝、电动车、笔记本、强光手电筒等领域，这类封装的好处是规格统一，方便自动化、规模化生产，具有机械强度高、耐冲击性强、良品率高等特点；此外还有Prismatic方形软包封装，常见于手机和平板电脑，这类封装最直接的好处是轻薄，体积小，便携。
在笔记本电脑时代，18650电芯还只是数码产品的幕后英雄。随着智能手机和平板等智能设备的普及，移动电源成为了人们出行必不可少的装备，18650也得以开始从幕后走向前台，被大众所熟知。那么，看似简单的18650电芯是如何诞生？它有什么秘密呢？接下来，让我们一起去探索它的诞生过程。近日笔者有幸进入东莞一家电芯厂拜访学习，将从涂布、组装、测试三方面图文并茂，为大家介绍18650电芯的诞生过程。
电芯的生产过程一：涂布
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
进入生产车间之前，需要戴上口罩和鞋套，避免吸入粉尘和产生静电。首先从涂布工艺了解起，这道工序中可以看到大卷的铜箔（黄色）和铝箔（银色）。铝箔，是用来涂布镍钴锰NCM三元材料；反之，铜箔是用来涂布负极活性材料石墨；其中白色的为隔膜。全球锂电池隔膜主要被Asahi、Celgard、SK、toray、W-SCOP等厂商占据，这些国外企业把持了近70%的市场份额。而中国隔膜企业所占的市场份额约30%，锂电池隔膜自主国产化正在不断突破。电芯的容量，是根据这些配方的调配比例面积得来。
一整卷涂布完成的正负极材料宽约126mm，接下来还需要裁剪成宽度约18mm的7小卷，每卷都会均匀分成若干段，每一段代表一颗电芯所需的用料。据电芯厂工程师徐工介绍，目前三元正极材料每吨售价为12万元，每吨材料可以用于生产5万只电芯；当前电芯产能日均50万只，需要用到10吨三元正极材料，光这一项开支每日就需要60万元。
自动化的机器将每段打上镍带和绝缘耐高温的麦拉片（Mylar），下一步进行5个级别的称重，分别是偏重、A1、A2、A3、偏轻。这个跟CPU晶圆挑选一样，同一批切割工艺，也会出现不同体质，根据不同体质再分出对应容量，配对出货。
电芯的生产过程二：组装
这家电芯厂分为三栋楼，其中一栋三层是生产线，另外两栋是办公室和宿舍。生产线一楼涂布、二楼组装、三楼测试。参观完一楼后，进入二楼的组装环节。
分类好的正极和负极，将在这里完成全自动卷包，白色的材质是隔膜。电芯这样还不能正常工作，需要加入电解液作为媒介，让正负极发生化学反应，锂离子才能够在正负极之间迁移，产生电荷离子输出能量锂电池才能进行充放电。自动化卷包好后直接滚落在了流水线上，进入下一个组装步骤装入钢壳。
钢壳是一体冲压成型，厚度不足1mm，因此对钢材强度质量要求很高，这家电芯厂选用的是进口韩钢材料。
这一步将负极极耳与钢壳底部通过点焊的方式连接。该厂采用了日系Miyachi激光点焊机，确保了点焊精度和产品质量。点焊机无法焊接钢壳底部，组装小妹的手中有一个铜钉，先从预留的小洞插入底部，然后放入点焊机，咔嚓一下，负极就打好镍带与钢壳底部连接好了。
电解液在密封箱充满惰性气体氩气的手套箱中内注入，密封箱手套内氧气浓度必须低于10ppm（接近无氧真空环境），防止电极氧化。电解液氩气通过循环净化装置输入密封箱，装置里头有催化剂和还原剂氢气，通过氢氧反应生成水可以把氧气除去。同时，装置中的干燥剂吸收水分，保证箱内气氛的干燥。
注入电解液后的电芯，已经通过激光焊接将盖帽与钢壳连为一体。一排排整齐有序的堆放着，整装待发。
一只新的电芯就这样诞生了。每一只电芯都需要穿上按容量分类的“新衣服”PVC套管。
不同的容量对应了不同的PVC封套，这里我们看到了绿、蓝、粉等多个色，丰富的外观颜色增添了电芯时尚感。
电芯的生产过程三：首次充电和测试
电芯在注入电解液后，实际上还没有存上电，而且此时正负极表面的状态也没有达到稳定，必须通过首次充电才能够正常使用，这种首次充电称之为“化成”。首次充电时需要充入额外的电量，用来在电极表面产生保护膜，这层保护膜正是锂离子电池低自放电的奥秘所在。同时，保护膜的性质也影响电池的性能和寿命。因此，化成工艺十分重要。化成采用分容柜完成。
电芯是化学品，为了保障使用安全和寿命，在出厂前需要做好配对按盒分装，每盒200只。确保三个一致性：容量一致、内阻一致、电压一致。如此方能正常出厂，否则把被打入冷宫，沦为B级、C级电芯。
第一个测试，容量。为了确保容量测试的准确性，该厂采购了行业领先的贝尔全自动分容柜，满足每日上万只的分容需求。新诞生的电芯，需要做5个循环老化测试，把不能工作或者容量有偏差的挑选出来。依据国家标准GB/T18287-2013《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》，按照0.2C充放电测试。以合适的电流充电至4.20V截止（高压版本需要充到4.30V或4.35V），静置一段时间（15min以上）使电池温度接近室温且电池内极化基本消散。测试采用0.2C放电至2.75V终止电压，达到所标注的容量，才算合格。这里的C是一个倍率单位，以2600mAh电芯放电为例，0.2C则为520mA放电。
第二个测试，内阻。现在电芯厂都配有内阻自动筛选机器，可流水线筛选。18650三元材料，内阻在70毫欧以内，都算合格品；低于30毫欧的算是特挑极品了。如果是磷酸铁锂或者钛酸锂，内阻能做到20毫欧以内。
第三个测试，电压。同一装箱里面的电芯电压3.7V?.05，方便多节并联或者串联使用下，整箱抽出使用。每一箱的电芯都做过三个一致性配对，因此不推荐跨箱使用，这也是国际上通用的方法。
除了一致性测试，每一个批次的电芯还需要抽查完成撞击、震动、穿刺等数十项破坏性测试，杜绝隐患，确保每一个批次品质最佳。
在此次工厂拜访学习即将结束时，为了能近距离的了解电芯的安全结构，笔者将剖析一支全新的18650电芯，一探内部究竟。18650电芯在内部硬件设计有两重保护，分别是CID（CurrentInterruptDevice）泄压安全阀和PTC（PositiveTemperatureCoefficient）热敏电阻。其中安全阀是每一颗18650电芯的标配，也是最重要的一道防爆屏障，没有之一。
CID和PTC的工作原理：当电芯内部温度异常，由于过充电、短路等原因产生大量气体，气压升高到1.0-1.2Mpa时，安全阀上的碗型铝片会向上弹起，与下面的铝片脱离接触，使电路立即断开，若是压力继续上升，安全阀将破裂，开启排除内部气体使内部压力释放出来，避免压力过高造成爆炸。而Prismatic方形软包封装的电芯，内部气压升高时，最常见的是“怀孕”鼓包现象。
其次PTC热敏电阻，当电池输入输出电流过高时，PTC会发热升温，当温度达到预设值时，PTC电阻会突然增大，切断外界电流输入电芯或阻止电芯内部电流输出，让电芯停止工作。除了以上两者外，电池还有不为人知的第三道防线——隔膜。当电池升温到160摄氏度以上时，隔膜中的微孔会闭合，使正负极被物理隔离，电池自然不会再输出电流。
既然18650电芯本身是如此安全，为何移动电源起火事故依然不算罕见呢？奥秘就在移动电源本身。移动电源的外壳等组件往往常用到塑料。塑料本身是易燃物，遇到高温可以自燃。合格移动电源的USB输出有短路保护，所以当输出被短路时不会有大电流通过。但是移动电源内部还有从18650到电路板的镍片或者导线等连接。
若是这部分不幸短路了，那么输出短路保护是完全无能为力的。而18650电芯本身的PTC只是在电池本身过热之前能够切断电池的电流，由于电池的热容量很可观，升温没有那么快，或许在导线、镍片都烧红的情况下，电池还没有热到切断输出。这样烧红的镍片和外壳的塑料接触，发生火灾也就在所难免了。
合格的移动电源往往对18650到电路板的导体进行多重绝缘，且所用的绝缘体是耐高温300度的高温聚酰亚胺胶带（麦拉片）和阻燃的青稞纸。同时这段导体有适当的固定设计，防止机械冲击下导体移动或变形。从而最大限度的保证短路不会发生。但是山寨移动电源就随意的多，要么没有绝缘，要么就是绝缘不充分。特别是18650头部，由于此处有裸露的负极和绝缘外皮包裹的负极。同时正极镍片也经过这里，若是不额外增加绝缘保护，正极镍片边缘一旦划破外皮，就会立即造成短路。而山寨移动电源往往内部电池固定不好，电池晃来晃去，镍片也弯来弯去的，这种概率更大了。
到此，一只18650电芯的诞生过程介绍完毕，随着工厂门口等待装箱的货车，他们将运往全国各地。即将开启一段新的奇幻之旅，化作充电宝来到你的手中。
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