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    重磅！特斯拉用CATL寧德方形LFP電池拆解
    
			
    
				
    2024-10-17
    
			
    
			
    
				
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	對于MODEL 3采用的電池組，根據(jù)公開信息而言，    電池組的總能量為55 kWh，由兩個25串1并和兩個28串1并的電池模塊組成，以106串1 并的方式配置成電池包。電池容量為161.5Ah。由此可以推斷特斯拉采用的是寧德時代161Ah的方形電芯。當然寧德時代也可能專門為特斯拉開發(fā)一款電芯。不過下面我們?nèi)詫@寧德161Ah電芯進行拆解分析，畢竟一個公司的工藝方法會保持一致。
    

    寧德時代LFP6228082-161Ah電池規(guī)格書：
    

    標稱容量：161 Ah
    

    額定電壓：3.2 V
    

    內(nèi)阻：≤0.4mΩ
    

    重量：約 3.1Kg
    

    外形尺寸如圖1所示。
    

              
    

    
	
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    圖1  寧德時代LFP6228082-161Ah電池外形尺寸 
    

     
    

    
	
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    圖2  拆解過程中拍攝圖像示例                    
    

    電池結(jié)構(gòu)
    

    經(jīng)過拆解，可以看出該款電信芯采用卷繞技術(shù)而成，非采用目前比較火的疊片技術(shù)。纏繞圈數(shù)為40圈。其中銅箔的厚度為（5±1）μm，鋁箔的厚度為（12±1）μm，兩個卷芯平行并聯(lián)連接，同側(cè)出極耳。正極極耳片厚度厚度為（975±5）µm，負極極耳片厚度為（775±5）µm。再講極耳焊接在正負極引出極柱上。兩個卷芯包裹絕緣膜后入殼（圖3e），最后頂蓋和殼體焊接（圖3f），注液之后，封口焊接（圖5e）。
    

      那為什么該款電信會采用兩個平行卷芯的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計呢。大家都知道對于卷繞來說，層數(shù)越多，產(chǎn)品越厚，電芯卷的R角越大，這就會造成電芯有效空間未得到充分利用，故而對于大型的方塊電芯，一般都是采用雙卷芯結(jié)構(gòu)進行設(shè)計          
    

              
    

    
	
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    圖3  CAD重建電池的裝配局部圖              
    

    
	
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    圖4  焊縫截面形貌：（a）卷芯鋁箔與正極耳片（b）卷芯銅箔與負極耳片（c）注液口
    

              
    

    改款電芯采用的還是傳統(tǒng)的方形電芯設(shè)計，極柱于泄壓閥位于電芯的頂端，而不是寧德時代供給小米的泄壓閥位于電芯下部，失控時火焰超地噴射的機構(gòu)。電芯引出極耳與極柱使用激光束焊接工藝以圓形焊接軌跡連接（圖5a和5b），熔深為（1690±50）µm，接觸面為（2610±10）µm。焊接仍采用回形焊接的形式，正負極段子的焊接熔深也根據(jù)材料的不同，采用了不同的工藝參數(shù)。負極端子的焊接深度為（1000±50）μm（見圖5c），正極端子的焊接深度為（1750 ±50）μm（見圖5d）。
    

       電芯的泄壓閥采用的是傳統(tǒng)鋁膜，厚度為（185±5）µm厚，使用激光將鋁膜焊接頂?shù)缴w上（圖5e）。在最薄的點處厚度為（40±5）μm。    
    

    
	
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    圖5  頂蓋截面形貌：（a）正極極柱中心頂蓋截面（b）負極極柱中心頂蓋截面（c）正極極耳與頂蓋焊接（d）負極極耳與頂蓋焊接（e）泄壓閥密封焊縫
    

              
    

    該款電池采用的是磷酸鐵鋰正極，標準電壓為3.2V，額定容量為161.5Ah，根據(jù)前面得到的重量數(shù)據(jù)，重量能量密度為163Wh/kg，同時該款電芯內(nèi)部體積1.4L體積能量密度366Wh/L。
    

                        
    

    電極設(shè)計
    

    根據(jù)拆解結(jié)果，該款電芯的正極極片長22m，負極長22.6m，比正極長0.6m，負極涂層全部包覆住正極，隔膜由于加工原因，隔膜總長23.7m，比負極更長，可以完全包裹電芯正負極。寬度方向上，正極67mm，負極70mm，負極兩側(cè)比正極多1.5mm，隔膜寬75mm，隔膜兩側(cè)比負極多出2.5mm。這樣的設(shè)計總的而言就是為了讓正極的鋰金屬可以完全嵌入到負極石墨中，防止在進行快充時，由于鋰單質(zhì)未能及時嵌入到石墨中，刺破隔膜從而發(fā)生熱失控。          
    

    就箔材的厚度爾雅，其中銅箔采用了5µm，鋁箔采用厚度為12µm，并且鋁集流體在電極邊緣涂有27µm的陶瓷層。圖6詳細顯示單面涂層極片的厚度和面密度在長度方向上的分布。正極單面涂層的平均厚度為94 μm（不含鋁箔），負極單面涂層的平均厚度為71 μm（不含銅箔）。正極的平均負載量測定為22.6 mg/cm2 ，負極的平均負載量測定為10.7 mg/cm2 。檢測過程中的輕微變化或歸因于不均勻分布的電解質(zhì)鹽殘留物。根據(jù)所測量的電極參數(shù)，估算正極的涂層密度為2.4g/cm3，負極的涂層密度為1.5g/cm3。根據(jù)電極的材料組成計算出電極孔隙率約為32%。     
    

    假設(shè)電極涂層中，活性材料含量為約95%（該值取決于材料體系，配方設(shè)計和各個電極組分的密度等，可能出錯），假設(shè)正極材料克容量為160 mAh/g，負極材料克容量為360 mAh/g（實際發(fā)揮容量也沒有這么高），根據(jù)面密度計算得到正、負極單面涂層的面容量分別為3.44、3.66 mAh/cm2。      
    

    但是，如果正面容量為3.44 mAh/cm2，一個卷芯的正極極片雙面涂層的面積為22（m）*67（mm）*2=29480（cm2），則一個卷芯容量為3.44（mAh/cm2） *29480（cm2）= 101.3（Ah），那么內(nèi)置兩個卷芯的電池設(shè)計容量應該為202 Ah。      
    

    根據(jù)電池容量161.5 Ah計算正極面容量，則有：161.5（Ah）÷2÷29480（cm2）= 2.74（mAh/cm2）。
    

                  
    

    
	
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    圖6  單面涂層的厚度（不含箔材）和面密度（不含箔材）
    

              
    

    材料表征        
    

    負極由尺寸約為10µm的天然片狀石墨顆粒組成（見圖5a和b），最有可能是天然石墨。EDX檢測到90.8%的碳和7.2%的氧化物，而所有其他元素都低于1%，包括來自電解質(zhì)的氟殘留物。沒有檢測到硅的痕跡。負極表面未檢測到明顯的降解跡象，例如鋰鍍層或顆粒裂紋。    
    

    正極是球形的納米尺寸的顆粒，其直徑雙峰分布，其中較小的顆粒直徑約為300 nm，較大的顆粒直徑約為1µm。EDX分析表明，由鐵（11.4%）、磷（13.5%）和氧（59.26%）的原子重量比，確定陰極活性材料為LFP。結(jié)果顯示，高比例的碳添加劑（8.6%）覆蓋整個電極表面，可能是LFP顆粒的碳涂層或者碳導電劑。碳涂層和LFP顆粒尺寸減小是解決LFP低電子電導率的方法。此外，研究表明，具有高表面積和小粒度的LFP材料具有更好的容量保持率，并且不太容易發(fā)生顆粒破裂。在正極上也沒有發(fā)現(xiàn)顆粒裂紋或其他明顯的降解跡象。 
    

    正極涂層的邊緣，可見5 mm寬的白色陶瓷層（圖7 h）。EDX顯示，該層由顆粒尺寸約為20 nm的長方體狀顆粒組成，成分是以2：3的比例的鋁和氧，由此可知即為Al2O3顆粒。
    

    
	
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    圖7  負極表面在（a）低和（B）高放大倍率下的SEM圖像，以及正極表面在（c）低和（d）高放大倍率下的SEM圖像。正極集流體涂層（e）顯示出以2：3的比例的鋁（f）和氧（g）。（h）顯示正極的涂層邊緣的Al2O3涂層          
    

    電解質(zhì)的ICP-OES測試結(jié)果如下表所示，結(jié)果表明，電解液鋰鹽為LiPF6。溶劑及其質(zhì)量比如圖8d所示。    
    

     
    

    
	
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    電化學性能
    

              
    

    動拆解的極片中裁切樣品，使用丙酮去除一側(cè)涂層，形成單面涂層的極片，組裝紐扣電池，C/10倍率測得電極放電面容量為（2.69±0.04）mAh/cm2，根據(jù)電極面積計算電池的容量為161.5 Ah，與電池實際測試結(jié)果一致。
    

                  
    

    
	
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    圖8  組裝紐扣電池，采用兩種不同電解液（拆解電池殘留的Tesla和對比電解液LP572）的電池0.1 C至3 C電化學性能：（a）放電，（b）充電，（c）兩種電解液電導率，（d）Tesla電解液的溶劑質(zhì)量比          
    

    3電極電池的陽極、陰極和全電池的阻抗譜如圖9a和b所示，負極阻抗的大小大于正極阻抗的大小。因此，全電池阻抗譜由負極主導。陽極、陰極和全電池的偽開路電壓（pOCV）曲線分別列入圖9 c，盡管施加了C/50的非常低的電流，但是充電和放電曲線不重疊（圖9d）。陰極的特征電位平臺約3.4V，確認陰極化學成分為LFP。陽極分別在約210 mV、120 mV和85 mV處顯示三個特征電位平臺，這些電位分布是純石墨的特征，表明陽極不含硅。  
    

    
	
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    圖9  在50%SOC和25°C下記錄的3電極電池的半電池和全電池阻抗譜以及電勢曲線         
    

    總之，本文拆解分析了特斯拉Model 3中的161.5 Ah方形扁卷繞硬殼LFP電池，將電池分解到材料水平，跟蹤了工藝步驟和制造特性。測得電池163 Wh/kg的比能量和366 Wh/L的體積能量密度。電芯內(nèi)部呈現(xiàn)低空隙體積6.4%以及銅和鋁的集流體厚度分別為5µm和12µm。果凍卷芯以蝶形設(shè)計連接到頂蓋上，為焊接過程提供了方便。電池蓋的橫截面和顯微鏡分析顯示應用了多種激光焊接工藝，提供了高機械穩(wěn)定性和氣密性。電極的涂層顯示出高度的均勻性，厚度波動小于2μm。掃描電子顯微鏡圖像揭示了純石墨陽極和LFP陰極內(nèi)的雙峰顆粒分布，其中正極的邊緣覆蓋有Al2O3陶瓷層。電化學分析表明，與普通LP572電解質(zhì)相比，電池固有電解質(zhì)的性能更好。
    

    參考文獻：Sandro Stock, Jan Hagemeister, Sophie Grabmann, Johannes Kriegler, Josef Keilhofer, Manuel Ank, Jonas L.S. Dickmanns, Markus Schreiber, Fabian Konwitschny, Nikolaos Wassiliadis, Markus Lienkamp, Rüdiger Daub, Cell teardown and characterization of an automotive prismatic LFP battery, Electrochimica Acta, Volume 471, 2023, 143341
    
	
    
	
    
		
    
			
    
				
    
					
    
						
    
							
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