
鈉離子電池憑借其資源豐富、成本低廉、安全性高等優勢,被廣泛認為是未來電池領域的重要發展方向之一,但要制作出高品質、高性能的鈉電池,還需要經過復雜的工藝流程。
鈉離子電池的制造流程總體上可以分為原材料準備、正負極材料制備、電解液和隔膜制備、電極制備、電池裝配、成品檢測與測試等幾個主要步驟。與鋰離子電池的生產工藝相比,鈉離子電池在原材料選擇和一些工藝步驟上有所不同,但總體流程相似:封裝形態相似(圓柱、軟包、方形鋁殼等),生產工藝高度重合,產線兼容(包括極片制造和電池裝配)。區別在于,鈉電池可以使用鋁箔作為負極集流體,因此正負極片均可以采用鋁極耳進行連接,這樣可以簡化極耳焊接工序。

鈉離子電池的主要原材料包括正極材料、負極材料、電解液、隔膜和電池外殼等。這些原材料的選擇和質量直接影響電池的性能和壽命。其中,正負極材料是鈉離子電池的核心組成部分,它們之間的性能差異決定了電池的能量密度和充放電效率;電解液是電池中傳輸鈉離子的介質,隔膜則是用來分隔正負極,防止短路現象的發生;電池外殼是保護電池結構和密封性的關鍵部件。

鈉離子電池產業鏈技術圖譜
鈉鹽
鈉鹽是鈉離子電池中鈉離子的來源。常用的鈉鹽有氯化鈉、硫酸鈉等。鈉鹽的純度和顆粒度對電池的性能有重要影響。例如,氯化鈉需經過精煉處理,以去除雜質并控制其顆粒大小,確保在電池中均勻分布。

正極材料是鈉離子電池的關鍵組件,常用的正極材料包括聚陰離子化合物、層狀氧化物、普魯士類化合物等。聚陰離子型正極材料因其穩定的結構和良好的循環性能,成為目前研究的熱點,其合成方法包括固相法、溶膠-凝膠法、水熱法等。正極材料主要通過控制合成條件和摻雜改性等手段來提高其電化學性能。

不同鈉電正極材料體系的產業化生產工藝
負極材料常用的有碳材料、合金材料等。碳材料因其良好的導電性和穩定性,被廣泛應用于鈉離子電池中,制備方法如熱解法、化學氣相沉積法等,處理后的碳材料需要進行涂布和烘干。負極材料通過控制孔徑和比表面積等來提高其電化學性能。

負極材料制備工藝
電解液的成分直接影響電池的離子導電率和穩定性。電解液主要由溶質、溶劑和添加劑組成,即由鈉鹽溶解在有機溶劑中制成。常用的溶劑有酯類、醚類等;添加劑主要分為成膜添加劑、阻燃添加劑、過充保護添加劑等,作用是保護電極材料。
隔膜是電池的關鍵組件之一,其性能直接影響電池的安全性和循環壽命。隔膜材料通常通過擠出法或拉伸法制備,通常選用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等微孔膜材料,具有良好的化學穩定性和機械強度,以確保電解液的良好滲透性和電池的安全性,有效防止電池內部短路。
電極制備是鈉離子電池制造過程中的關鍵步驟,包括涂布、輥壓、裁切、疊片/卷繞等工序。
涂布
將正負極材料分別涂布在金屬箔上,涂布工藝包括漿料制備、涂布和烘干,涂布的均勻性和厚度直接影響電池的容量和性能。
輥壓
涂布后的電極材料需要經過輥壓處理,以提高電極的密度和導電性。輥壓過程中的壓力、速度和溫度需要精確控制,通過施加壓力,使電極材料更加緊密地結合在一起,提高其機械強度和導電性。
裁切
裁切精度直接影響電池的裝配效果和電性能。輥壓后的電極材料需要采用高精度的裁切設備裁切成合適的尺寸,確保電極材料尺寸的一致性,以便進行后續的疊片或卷繞工序。
疊片/卷繞
根據電池的設計,將裁切好的正負極材料與隔膜進行疊片或卷繞。疊片適用于方形電池,通過多層疊加正負極材料和隔膜,形成電池芯;卷繞適用于圓柱形電池,通過連續卷繞正負極材料和隔膜,形成螺旋結構的電池芯。疊片和卷繞過程中的對齊精度和張力控制是確保電池性能的一大關鍵。

鈉離子電池生產線示意圖
電池封裝
封裝過程包括電池芯的裝入、密封、注液、熱封等步驟。封裝過程中的質量控制至關重要,必須嚴格按照工藝規范進行操作。首先通過熱壓和超聲波焊接等方法,將封裝材料與電池芯緊密結合;其次通過精密注液設備,將電解液均勻注入電池芯內部;最后通過加熱封裝材料,使其緊密貼合在一起,形成完整的封裝結構。
電池裝配
電池裝配包括封裝形式的選擇、封裝材料的選擇和封裝過程的質量控制。常見的封裝形式有軟包、硬殼和圓柱形等。封裝形式的選擇取決于電池的應用場景和性能要求。
封裝形式
軟包封裝通過鋁塑膜進行密封,具有輕量化和良好的柔韌性,適用于便攜式設備和動力電池。
硬殼封裝通過金屬殼體進行密封,具有優良的機械強度和防護性能,適用于汽車和儲能系統。
圓柱形封裝通過金屬殼體和卷繞電極進行密封,具有成熟的工藝和穩定的性能,廣泛應用于小型電子設備和動力電池。
封裝材料
封裝材料的選擇主要考慮其耐化學性、耐熱性和機械強度。常用的封裝材料有鋁塑膜、鋁殼等。鋁塑膜具有良好的氣密性和柔韌性,適用于軟包電池的封裝,鋁塑膜的質量直接影響電池的密封性能和循環壽命;鋁殼具有優良的機械強度和防護性能,適用于硬殼和圓柱形電池的封裝,鋁殼的厚度和加工精度對電池的安全性和可靠性有重要影響。

鈉離子電池工藝流程
封裝后的電池需要經過一系列的檢測與測試,以確保其性能和安全性。
電化學性能測試
電化學性能測試包括容量測試、循環壽命測試、倍率性能測試等。這些測試可以評估電池的實際容量、循環穩定性和快充快放能力。
機械性能測試
機械性能測試主要包括振動測試、跌落測試、擠壓測試等,以確保電池在使用過程中的機械可靠性。
安全性能測試
安全性能測試包括短路測試、過充過放測試、針刺測試等,以評估電池在極端條件下的安全性。

鈉離子電池安全測試結果
生產環境
鈉離子電池的生產環境要求嚴格的潔凈度和溫濕度控制。潔凈度控制通過空氣凈化和工藝防護措施,可以避免雜質對電池性能的影響;溫濕度控制通過空調和濕度控制設備,保持生產環境的恒定溫度和濕度,避免材料變形和性能波動,確保生產過程的穩定性和一致性。
安全管理
生產過程中需要采取嚴格的安全措施,包括防火、防爆、防化學污染等。員工需要經過專業培訓,嚴格遵守操作規程,以確保生產安全。
防火措施
通過設置防火墻、安裝火警探測器和配備滅火設備,預防和控制火災風險。生產車間需配備完善的消防系統,并定期進行消防演練。
防爆措施
通過安裝防爆設備和采取防爆工藝,預防生產過程中可能發生的爆炸風險。關鍵設備需符合防爆標準,生產工藝需嚴格控制可燃物的使用。
防化學污染
通過設置隔離區域和使用防護設備,避免有害化學物質對環境和人員的影響。生產過程中需嚴格控制化學物質的使用和排放,確保生產環境的安全。
鈉離子電池的生產流程復雜而精細,每個環節都需要嚴格的控制和優化。只有在材料、工藝、環境和安全等方面做到全面把控,才能生產出高性能、高安全性的鈉離子電池,滿足市場的需求。我們期待鈉離子電池技術在未來能夠進一步突破,為全球能源轉型和可持續發展提供更加可靠的解決方案。