獨(dú)家揭秘CATL超級工廠的秘密

電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。多個電芯組成一個模組，再多個模組組成一個電池包，這就是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。電池就像一個儲存電能的容器，能儲存多少的容量，是靠正極片和負(fù)極片所覆載活性物質(zhì)多少來決定的。正負(fù)電極極片的設(shè)計需要根據(jù)不同車型來量身定做的。正負(fù)極材料克容量，活性材料的配比、極片厚度、壓實(shí)密度等對容量等的影響也至關(guān)重要。

讓我們走進(jìn)CATL寧德時代的生產(chǎn)車間，一起來看看被大眾，寶馬，奔馳爭搶的電芯是怎么制造出來的。

活性材料的制漿——攪拌工序

攪拌就是將活性材料通過真空攪拌機(jī)攪拌成漿狀。這是電池生產(chǎn)的第一道工序，該道工序質(zhì)量控制的好壞，將直接影響電池的質(zhì)量和成品合格率。而且該道工序工藝流程復(fù)雜，對原料配比，混料步驟，攪拌時間等等都有較高的要求。

這里攪拌的是電池的活性材料：

寧德時代的攪拌車間對粉塵嚴(yán)格管控，此外，在攪拌的這一過程中需要嚴(yán)格控制粉塵，以防止粉塵對電池一致性產(chǎn)生影響，在寧德時代的生產(chǎn)車間對粉塵的管控水平相當(dāng)于醫(yī)藥級別。

將攪拌好的漿料涂在銅箔上——涂布工序

這道工序就是將上一道工序后已經(jīng)攪拌好的漿料以每分鐘80米的速度被均勻涂抹到4000米長的銅箔上下面。而涂布前的銅箔只有6微米厚，可以用“薄如蠶翼”來形容。

涂布工序最重要的是厚度和重量的一致性

涂布至關(guān)重要，需要保證極片厚度和重量一致，否則會影響電池的一致性。涂布還必須確保沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片。否則會導(dǎo)致電池放電過快，甚至?xí)霈F(xiàn)安全隱患。

將銅箔上負(fù)極材料壓緊再切分——冷壓與預(yù)分切

在碾壓車間里，通過輥將附著有正負(fù)極材料的極片進(jìn)行碾壓，一方面讓涂覆的材料更緊密，提升能量密度，保證厚度的一致性，另一方面也會進(jìn)一步管控粉塵和濕度。

冷壓就是將鋁箔上的正負(fù)極材料壓緊壓實(shí)，這對提升能量密度也很重要

將冷壓后的極片根據(jù)需要生產(chǎn)電池的尺寸進(jìn)行分切，并充分管控毛刺（這里的毛刺只能在顯微鏡下看清楚了）的產(chǎn)生，這樣做的目的是避免毛刺扎穿隔膜，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。

切出電池上正負(fù)極的小耳朵——極耳模切與分條

極耳切模工序就是用模切機(jī)形成電芯用的導(dǎo)電極耳。我們知道電池是分正負(fù)極的，極耳就是從電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體，通俗的說電池正負(fù)兩極的耳朵，是在進(jìn)行充放電時的接觸點(diǎn)。

而接下來的分條工序就是通過切刀對電池極片進(jìn)行分切。

極耳模切簡單說就是做出正負(fù)兩極的小耳朵

完成電芯的雛形——卷繞工序

在這里，電池的正極片、負(fù)極片、隔離膜以卷繞的方式組合成裸電芯。先進(jìn)的CCD視覺檢測設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動檢測及自動糾偏，確保電芯極片不錯位。

卷繞工序后電芯的雛形基本形成

有了CCD視覺檢測設(shè)備的輔助，CATL寧德時代的電池生產(chǎn)車間在國際上屬于自動化程度最高的電池生產(chǎn)車間之一。

去除水分和注入電解液——烘焙與注液

水分是電池系統(tǒng)的大敵，電池烘烤工序就是為了使電池內(nèi)部水份達(dá)標(biāo)，確保電池在整個壽命周期內(nèi)具有良好的性能。

為了去除水分，電芯需要進(jìn)行烘烤

而注液，就是往電芯內(nèi)注入電解液。電解液就像電芯身體里流動的血液，能量的交換就是帶電離子的交換。這些帶電離子從電解液中運(yùn)輸過去，到達(dá)另一電極，完成充放電過程。電解液的注入量是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，如果電解液注入量過大，會導(dǎo)致電池發(fā)熱甚至直接失效，如果注入量過小，則又影響電池的循環(huán)性。

電芯激活的過程——化成

化成是對注液后的電芯進(jìn)行激活的過程，通過充放電使電芯內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成SEI膜（SEI膜：是鋰電池首次循環(huán)時由于電解液和負(fù)極材料在固液相間層面上發(fā)生反應(yīng)，所以會形成一層鈍化膜，就像給電芯鍍了一層面膜。），保證后續(xù)電芯在充放電循環(huán)過程中的安全、可靠和長循環(huán)壽命。將電芯的性能激活，還要經(jīng)過X-ray監(jiān)測、絕緣監(jiān)測、焊接監(jiān)測，容量測試等一系列“體檢過程”。

化成工序當(dāng)中還包括，對電芯“激活”后第二次灌注電解液、稱重、注液口焊接、氣密性檢測；自放電測試高溫老化及靜置保證了產(chǎn)品性能。

所有制造好后的每一個電芯單體都具有一個單獨(dú)的二維碼，記錄著出生日期，制造環(huán)境，性能參數(shù)等等。強(qiáng)大的追溯系統(tǒng)可以將任何信息記錄在案。如果出現(xiàn)異常，可以隨時調(diào)取生產(chǎn)信息；同時，這些大數(shù)據(jù)可以針對性地對后續(xù)改良設(shè)計做出數(shù)據(jù)支持。

單個的電芯是不能使用的，只有將眾多電芯組合在一起，再加上保護(hù)電路和保護(hù)殼，才能直接使用。這就是所謂的電池模組。

電池模組（module）是由眾多電芯組成的。需要通過嚴(yán)格篩選，將一致性好的電芯按照精密設(shè)計組裝成為模塊化的電池模組，并加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置。CATL的模組全自動化生產(chǎn)產(chǎn)線，全程由十幾個精密機(jī)械手協(xié)作完成。另外，每一個模組都有自己固定的識別碼，出現(xiàn)問題可以實(shí)現(xiàn)全過程的追溯。

從簡單的一顆電芯到電池包的生產(chǎn)過程也是相當(dāng)復(fù)雜，需要多道工序，一點(diǎn)不比電芯的制造過程簡單。

上料

將電芯傳送到制定位置，機(jī)械手自動抓取送入模組裝配線。

在寧德時代的車間內(nèi)從自動搬運(yùn)材料到為設(shè)備喂料100%實(shí)現(xiàn)了自動化

給電芯洗個澡——等離子清洗工序

對每個電芯表面進(jìn)行清洗（CATL寧德時代采用的是等離子處理技術(shù)保證清潔度）。這里采用離子清潔，保證在過程中的污染物不附著在電芯底部。

為什么要采用等離子清洗技術(shù)？原因在于，等離子清洗技術(shù)是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗方式，其最大優(yōu)勢在于清洗后無廢液，最大特點(diǎn)是對金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料等都能很好地處理，可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。

等離子清洗過程

將電芯組合起來——電芯涂膠

電芯組裝前，需要表面涂膠。涂膠的作用除了固定作用之外，還能起到絕緣和散熱的目的。CATL寧德時代采用國際上最先進(jìn)的高精度的涂膠設(shè)備以及機(jī)械手協(xié)作，可以以設(shè)定軌跡涂膠，同時實(shí)時監(jiān)控涂膠質(zhì)量，確保涂膠品質(zhì)，進(jìn)一步提升了每組不同電池模組的一致性。

電芯的涂膠過程

給電芯建個家——端版與側(cè)板的焊接

電池模組多采用鋁制端板和側(cè)板焊接而成，通過機(jī)器人進(jìn)行層壓和端板、側(cè)板焊接處理。

線束隔離板裝配

焊接監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確定位焊接位置后，綁定線束隔離板物料條碼至MES生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，生成單獨(dú)的編碼以便追溯。打碼后通過機(jī)械手將線束隔離板自動裝入模組。

線束隔離板的安裝過程

完成電池的串并聯(lián)——激光焊接

通過自動激光焊接，完成極柱與連接片的連接，實(shí)現(xiàn)電池串并聯(lián)。

下線前的重要一關(guān)——下線測試

下線前對模組全性能檢查，包括模組電壓/電阻、電池單體電壓、耐壓測試、絕緣電阻測試。標(biāo)準(zhǔn)化的模組設(shè)計原理可以定制化匹配不同車型，每個模塊還能夠安裝在車內(nèi)最佳適合空間和預(yù)定位置。

每個電池包包含了若干電池單元，與連接器、控制器和冷卻系統(tǒng)集成到一起，外覆鋁殼包裝。通過螺栓自動固緊，由電氣連接器相連，即使發(fā)生故障，僅需更換單獨(dú)的模組即可，不必更換整個電池組，維修工作量和危險性大大降低，更換模組僅需把冷卻系統(tǒng)拆解，并不涉及其他構(gòu)件。

其實(shí)，電動汽車從最初的設(shè)計階段就要通過各種方法，最大程度保證安全性。然而，再完美的設(shè)計還得經(jīng)過實(shí)踐測試的考量。在寧德時代，只有成功通過這些磨練的電池產(chǎn)品，才能被放行使用。

590攝氏度火燒測試

590攝氏度火燒電池是什么概念？我們知道金星的地面溫度是464攝氏度，在這樣的高溫下，鉛、鋅等金屬材料早已熔化。但是，電池組卻要在這樣的高溫下進(jìn)行“生存”挑戰(zhàn)。

在安全性能方面國家的標(biāo)準(zhǔn)是外部燃燒130秒，電池不起火、不爆炸。然而，作為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)CATL寧德時代卻有著更高的要求，不僅做到了外部燃燒130秒后電池依然可以正常工作，的國家標(biāo)準(zhǔn)，更達(dá)到了在590攝氏度的情況下連續(xù)燃燒1小時后，電池依然沒有爆炸危險。

連續(xù)21小時振動試驗

在日常用車當(dāng)中，免不了要通過一些顛簸路面，電池產(chǎn)生的振動可能會引發(fā)質(zhì)量不過關(guān)的電池產(chǎn)品固定不良，零部件松動，甚至外殼破裂最后引發(fā)安全失效的等情況。

所以我們需要模擬車輛震動對電池包產(chǎn)生的影響。振動臺用來模擬電池包在實(shí)際使用中會遇到的顛簸路況，環(huán)境箱用來提供不同的溫度環(huán)境，充放電機(jī)則用以提供充放電的實(shí)際工作情況。這三部分組成了帶溫度帶負(fù)載的振動測試系統(tǒng)，真實(shí)模擬了實(shí)車使用時的情景。

寧德時代的一座推力20噸的振動臺，用來模擬電池包在實(shí)際使用中會遇到的顛簸路況，但其振動強(qiáng)烈程度更甚于實(shí)際路況。在試驗中，電池包一秒鐘要被振動200下，而電芯模組則要被振動2000下。更加嚴(yán)苛的是電池包需要在-30℃至60℃的環(huán)境條件下，連續(xù)隨機(jī)振動21小時，這樣可等效模擬數(shù)十萬公里的行車疲勞情況。

加速度達(dá)到100G的撞擊測試

與振動試驗類似，沖擊測試用以測試電池包的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其模擬車輛通過路障時，瞬間顛簸對電池包結(jié)構(gòu)的沖擊。此外，在更換電池的過程中有萬分之一的幾率遇到電池跌落的情況。所謂不怕一萬就怕萬一，CATL寧德時代將電池從1米高度進(jìn)行自由落體測試，且保證各項功能依然正常。

在寧德時代的沖擊測試中，最高加速度可高達(dá)100G。要知道一般人的心臟承受的最大加速度為50G。而目前有記錄的，人體能承受的加速度極限約為40G。在如此強(qiáng)烈的加速度沖擊下，電池包依然運(yùn)行正常。

最貼近真實(shí)事故的擠壓測試

擠壓測試用于模擬電池在交通事故時受到擠壓的情況，隨著電池變形程度的增加，正負(fù)極集流體會首先被撕裂。在短路點(diǎn)產(chǎn)生非常大的電流，熱量集中釋放，引起短路點(diǎn)的溫度急劇上升，因此很容易引發(fā)熱失控，進(jìn)而引起起火或爆炸。

與現(xiàn)實(shí)車禍?zhǔn)鹿首顬橘N近的擠壓測試

在擠壓測試找那個電池包外殼出現(xiàn)了明顯的變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，電芯被內(nèi)部零部件刺破，出現(xiàn)高壓短路，造成熱失控。對于擠壓測試的通過標(biāo)準(zhǔn)一般是不起火、不爆炸。而寧德時代的電池產(chǎn)品，甚至可以再擠壓變形的情況下，繼續(xù)正常工作。

在寧德時代的擠壓試驗中，施加給電池包的力是十噸。12米大巴車重量為7噸，加上乘客和行李的重量接近10噸，也就是說這至少可以模擬一輛12米大巴車撞擊時的擠壓。

結(jié)束語：

自此經(jīng)過數(shù)不清的復(fù)雜加工工藝和檢測測試流程，一塊印有CATL LOGO的成品車用電池單元終于誕生了，但是對于質(zhì)量的把控來說這并沒有結(jié)束，為了把控在日常使用時的質(zhì)量和品質(zhì)，所有的成品電池和電芯都有自己獨(dú)一無二的編碼，如果未來那塊電池甚至那顆電芯出現(xiàn)故障，可以追溯到那條生產(chǎn)線甚至那一批原料。對于電池這種帶有一定危險性的產(chǎn)品來說，質(zhì)量永遠(yuǎn)是最重要的一環(huán)。

目前CATL已經(jīng)形成了從原料的開采到后期回收，一套完善的鏈條體系。而與寶馬、奔馳等國際企業(yè)的合作關(guān)系，再次證明了其產(chǎn)品的優(yōu)勢。產(chǎn)品的穩(wěn)定性和好口碑，是取勝的關(guān)鍵，但在新能源行業(yè)當(dāng)中逆水行舟不進(jìn)則退，未來需要不斷推出有市場競爭力的產(chǎn)品，才能始終挺立在業(yè)界最高峰。