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鋰電池廠家全面介紹:聚合物鋰離子電池原理及工藝全景掃描!

來(lái)源:聚合物鋰離子電池?作者:聚合物鋰離子電池??發(fā)布時(shí)間:2019-08-26 11:53:31??閱讀數(shù):1167

一、聚合物鋰離子電池的原理、配方和工藝流程

  1.聚合物鋰離子電池正極構(gòu)造

  LiCoO2 + 導(dǎo)電劑 + 粘合劑 (PVDF) + 集流體(鋁箔)

  2.聚合物鋰離子電池負(fù)極構(gòu)造

  石墨 + 導(dǎo)電劑 + 增稠劑 (CMC) + 粘結(jié)劑 (SBR) + 集流體(銅箔) 

聚合物鋰離子電池負(fù)極構(gòu)造

  3.聚合物鋰離子電池工作原理

 ?、俪潆娺^(guò)程

  在給一個(gè)聚合物鋰離子電池充電,此時(shí)正極上的電子e從通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上,正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里,“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達(dá)負(fù)極,與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

  正極上發(fā)生的反應(yīng)為:

鋰離子Li+正極上發(fā)生的反應(yīng)

  負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為:

鋰離子Li+負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)

聚合物鋰離子電池充電正負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)

 ?、陔姵胤烹娺^(guò)程

  放電有恒流放電和恒阻放電,恒流放電其實(shí)是在外電路加一個(gè)可以隨電壓變化而變化的可變電阻,恒阻放電的實(shí)質(zhì)都是在聚合物鋰離子電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子通過(guò)。由此可知,只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極,電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的,方向相同但路不同,放電時(shí),電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體跑到正極,鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里,“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達(dá)正極,與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

 ?、鄢浞烹娞匦?/span>

  電芯正極采用LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2,其中LiCoO2本是一種層結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的晶型,但當(dāng)從LiCoO2拿走x個(gè)Li離子后,其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化,但是否發(fā)生變化取決于x的大小。

  通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)x >0.5時(shí),Li1-xCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定,會(huì)發(fā)生晶型癱塌,其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結(jié)。所以電芯在使用過(guò)程中應(yīng)通過(guò)限制充電電壓來(lái)控制Li1-xCoO2中的x值,一般充電電壓不大于4.2V那么x小于0.5 ,這時(shí)Li1-xCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。

  負(fù)極C6其本身有自己的特點(diǎn),當(dāng)?shù)谝淮位珊螅龢OLiCoO2中的Li被充到負(fù)極C6中,當(dāng)放電時(shí)Li回到正極LiCoO2中,但化成之后必須有一部分Li留在負(fù)極C6中心,以保證下次充放電Li的正常嵌入,否則電芯的壓倒很短,為了保證有一部分Li留在負(fù)極C6中,一般通過(guò)限制放電下限電壓來(lái)實(shí)現(xiàn):安全充電上限電壓≤4.2V,放電下限電壓≥2.5V。

  記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化,在鋰電池中幾乎不會(huì)產(chǎn)生這種反應(yīng)。但是,聚合物鋰離子電池在多次充放后容量仍然會(huì)下降,其原因是復(fù)雜而多樣的。主要是正負(fù)極材料本身的變化,從分子層面來(lái)看,正負(fù)極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸塌陷、堵塞;從化學(xué)角度來(lái)看,是正負(fù)極材料活性鈍化,出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物。物理上還會(huì)出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況,總之最終降低了電池中可以自由在充放電過(guò)程中移動(dòng)的鋰離子數(shù)目。

  過(guò)度充電和過(guò)度放電,將對(duì)聚合物鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞,從分子層面看,可以直觀的理解,過(guò)度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過(guò)度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷,過(guò)度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去,而使得其中一些鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。

  不適合的溫度將引發(fā)聚合物鋰離子電池內(nèi)部其他化學(xué)反應(yīng)生成我們不希望看到的化合物,所以在不少的聚合物鋰離子電池正負(fù)極之間設(shè)有保護(hù)性的溫控隔膜或電解質(zhì)添加劑。在電池升溫到一定的情況下,復(fù)合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性,電池內(nèi)阻增大直到斷路,電池不再升溫,確保電池充電溫度正常。

二、鋰電池的配方與工藝流程

  1.正負(fù)極配方

  ①正極配方:LiCoO2+導(dǎo)電劑+粘合劑+集流體(鋁箔)

  LiCoO2(10μm): 96.0%

  導(dǎo)電劑(Carbon ECP) 2.0%

  粘合劑(PVDF 761) 2.0% 

  NMP(增加粘結(jié)性):固體物質(zhì)的重量比為8:15

  a)正極粘度控制6000cps(溫度25℃ );

  b) NMP重量須適當(dāng)調(diào)節(jié),達(dá)到粘度要求為宜;

  c)特別注意溫度、濕度對(duì)黏度的影響

  正極活性物質(zhì):

  鈷酸鋰:正極活性物質(zhì),鋰離子源,為電池提高鋰源。非極性物質(zhì),不規(guī)則形狀,粒徑D50一般為6-8 μm,含水量≤0.2%,通常為堿性,pH值為10-11左右。

  錳酸鋰:非極性物質(zhì),不規(guī)則形狀,粒徑D50一般為5-7 μm,含水量≤0.2%,通常為弱堿性,pH值為8左右。

  導(dǎo)電劑:鏈狀物,含水量< 1%,粒徑一般為 1-5 &mu;m。通常使用導(dǎo)電性?xún)?yōu)異的超導(dǎo)碳黑,如科琴炭黑Carbon ECP和ECP600JD,其作用:提高正極材料的導(dǎo)電性,補(bǔ)償正極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性;提高正極片的電解液的吸液量,增加反應(yīng)界面,減少極化。

  PVDF粘合劑:非極性物質(zhì),鏈狀物,分子量從300,000到3,000,000不等;吸水后分子量下降,粘性變差。用于將鈷酸鋰、導(dǎo)電劑和鋁箔或鋁網(wǎng)粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。

  NMP:弱極性液體,用來(lái)溶解/溶脹PVDF,同時(shí)用來(lái)稀釋漿料。

  集流體(正極引線(xiàn)):由鋁箔或鋁帶制成。

 ?、谪?fù)極配方:石墨+導(dǎo)電劑+增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+ 集流體(銅箔)

  負(fù)極材料(石墨):94.5%

  導(dǎo)電劑(Carbon ECP):1.0%(科琴超導(dǎo)碳黑)

  粘結(jié)劑(SBR):2.25%(SBR = 丁苯橡膠膠乳)

  增稠劑(CMC):2.25%(CMC = 羧甲基纖維素鈉)

  水:固體物質(zhì)的重量比為1600:1417.5

  a) 負(fù)極黏度控制5000-6000cps(溫度25轉(zhuǎn)子3)

  b) 水重量需要適當(dāng)調(diào)節(jié),達(dá)到黏度要求為宜;

  c) 特別注意溫度濕度對(duì)黏度的影響

  2.正負(fù)混料

  石墨:負(fù)極活性物質(zhì),構(gòu)成負(fù)極反應(yīng)的主要物質(zhì);主要分為天然石墨和人造石墨兩大類(lèi)。非極性物質(zhì),易被非極性物質(zhì)污染,易在非極性物質(zhì)中分散;不易吸水,也不易在水中分散。被污染的石墨,在水中分散后,容易重新團(tuán)聚。一般粒徑 D50為20&mu;m左右。顆粒形狀多樣且多不規(guī)則,主要有球形、片狀、纖維狀等。

導(dǎo)電劑:其作用為:

  a) 提高負(fù)極片的導(dǎo)電性,補(bǔ)償負(fù)極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性。

  b) 提高反應(yīng)深度及利用率。

  c) 防止枝晶的產(chǎn)生。

  d) 利用導(dǎo)電材料的吸液能力,提高反應(yīng)界面,減少極化。(可根據(jù)石墨粒度分布選擇加或不加)。

  添加劑:降低不可逆反應(yīng),提高粘附力,提高漿料黏度,防止?jié){料沉淀。

  增稠劑/防沉淀劑(CMC):高分子化合物,易溶于水和極性溶劑。

  異丙醇:弱極性物質(zhì),加入后可減小粘合劑溶液的極性,提高石墨和粘合劑溶液的相容性;具有強(qiáng)烈的消泡作用;易催化粘合劑網(wǎng)狀交鏈,提高粘結(jié)強(qiáng)度。

  乙醇:弱極性物質(zhì),加入后可減小粘合劑溶液的極性,提高石墨和粘合劑溶液的相容性;具有強(qiáng)烈的消泡作用;易催化粘合劑線(xiàn)性交鏈,提高粘結(jié)強(qiáng)度(異丙醇和乙醇的作用從本質(zhì)上講是一樣的,大批量生產(chǎn)時(shí)可考慮成本因素然后選擇添加哪種)。

  水性粘合劑(SBR):將石墨、導(dǎo)電劑、添加劑和銅箔或銅網(wǎng)粘合在一起。小分子線(xiàn)性鏈狀乳液,極易溶于水和極性溶劑。

  去離子水(或蒸餾水):稀釋劑,酌量添加,改變漿料的流動(dòng)性。

  負(fù)極引線(xiàn):由銅箔或鎳帶制成。

 ?、僬龢O混料 :

原料的預(yù)處理

  1) 鈷酸鋰:脫水。一般用120 &deg;C常壓烘烤2小時(shí)左右。

  2) 導(dǎo)電劑:脫水。一般用200 &deg;C常壓烘烤2小時(shí)左右。

  3) 粘合劑:脫水。一般用120-140 &deg;C常壓烘烤2小時(shí)左右,烘烤溫度視分子量的大小決定。

  4) NMP:脫水。使用干燥分子篩脫水或采用特殊取料設(shè)施,直接使用。

物料球磨:

  1) 4小時(shí)結(jié)束,過(guò)篩分離出球磨;

  2) 將LiCoO2 和Carbon ECP倒入料桶,同時(shí)加入磨球(干料:磨球=1:1),在滾瓶及上進(jìn)行球磨,轉(zhuǎn)速控制在60rmp以上

原料的摻和:

  1) 粘合劑的溶解(按標(biāo)準(zhǔn)濃度)及熱處理。

  2) 鈷酸鋰和導(dǎo)電劑球磨:使粉料初步混合,鈷酸鋰和導(dǎo)電劑粘合在一起,提高團(tuán)聚作用和的導(dǎo)電性。配成漿料后不會(huì)單獨(dú)分布于粘合劑中,球磨時(shí)間一般為2h左右;為避免混入雜質(zhì),通常使用瑪瑙球作為球磨介子。

干粉的分散、浸濕:

  原理:固體粉末放置在空氣中,隨著時(shí)間的推移,將會(huì)吸附部分空氣在固體的表面上,液體粘合劑加入后,液體與氣體開(kāi)始爭(zhēng)奪固體表面;如果固體與氣體吸附力比與液體的吸附力強(qiáng),液體不能浸濕固體;如果固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強(qiáng),液體可以浸濕固體,將氣體擠出。

  當(dāng)潤(rùn)濕角&le;90&deg;,固體浸濕。當(dāng)潤(rùn)濕角>90&deg;,固體不浸濕。

  正極材料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕,所以正極粉料分散相對(duì)容易。

分散方法對(duì)分散的影響:

  1)靜置法(時(shí)間長(zhǎng),效果差,但不損傷材料的原有結(jié)構(gòu));

  2)攪拌法:自轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)(時(shí)間短,效果佳,但有可能損傷個(gè)別材料的自身結(jié)構(gòu))。

  攪拌槳對(duì)分散速度的影響:攪拌槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型攪拌槳用來(lái)對(duì)付分散難度大的材料或配料的初始階段;球形、齒輪形用于分散難度較低的狀態(tài),效果佳。

  攪拌速度對(duì)分散速度的影響。一般說(shuō)來(lái)攪拌速度越高,分散速度越快,但對(duì)材料自身結(jié)構(gòu)和對(duì)設(shè)備的損傷就越大。

  濃度對(duì)分散速度的影響。通常情況下漿料濃度越小,分散速度越快,但太稀將導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和漿料沉淀的加重。

  濃度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。濃度越大,柔制強(qiáng)度越大,粘接強(qiáng)度越大;濃度越低,粘接強(qiáng)度越小。

  真空度對(duì)分散速度的影響。高真空度有利于材料縫隙和表面的氣體排出,降低液體吸附難度;材料在完全失重或重力減小的情況下分散均勻的難度將大大降低。

  溫度對(duì)分散速度的影響。適宜的溫度下,漿料流動(dòng)性好、易分散。太熱漿料容易結(jié)皮,太冷漿料的流動(dòng)性將大打折扣。

  稀釋?zhuān)簩{料調(diào)整為合適的濃度,便于涂布。

操作步驟

  a) 將NMP倒入動(dòng)力混合機(jī)(100L)至80&deg;C,稱(chēng)取PVDF加入其中,開(kāi)機(jī);參數(shù)設(shè)置:轉(zhuǎn)速25&plusmn;2r/min,攪拌115-125min;

  b) 接通冷卻系統(tǒng),將已經(jīng)磨號(hào)的正極干料平均分四次加入,每次間隔28-32min,第三次加料視材料需要添加NMP,第四次加料后加入NMP;動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:轉(zhuǎn)速為20&plusmn;2r/min

  c) 第四次加料30&plusmn;2min后進(jìn)行高速攪拌,時(shí)間為480&plusmn;10min;動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:公轉(zhuǎn)為30&plusmn;2r/min,自轉(zhuǎn)為25&plusmn;2r/min;

  d) 真空混合:將動(dòng)力混合機(jī)接上真空,保持真空度為-0.09Mpa,攪拌30&plusmn;2min;動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:公轉(zhuǎn)為10&plusmn;2min,自轉(zhuǎn)為8&plusmn;2r/min

  e) 取250-300ml漿料,使用黏度計(jì)測(cè)量黏度;測(cè)試條件:轉(zhuǎn)子號(hào)5,轉(zhuǎn)速12或30rpm,溫度范圍25&deg;C;

  f) 將正極料從動(dòng)力混合機(jī)中取出進(jìn)行膠體磨、過(guò)篩,同時(shí)在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識(shí),與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

注意事項(xiàng)

  a)  完成,清理機(jī)器設(shè)備及工作環(huán)境;

  b)  操作機(jī)器時(shí),需注意安全,避免砸傷頭部。

②負(fù)極混料

原料的預(yù)處理:

  1) 石墨:

  A、混合,使原料均勻化,提高一致性。

  B、300~400&deg;C常壓烘烤,除去表面油性物質(zhì),提高與水性粘合劑的相容能力,修圓石墨表面棱角(有些材料為保持表面特性,不允許烘烤,否則效能降低)。

  2) 水性粘合劑:適當(dāng)稀釋?zhuān)岣叻稚⒛芰Α?/span>

摻和、浸濕和分散: 

  1) 石墨與粘合劑溶液極性不同,不易分散。

  2) 可先用醇水溶液將石墨初步潤(rùn)濕,再與粘合劑溶液混合。

  3) 應(yīng)適當(dāng)降低攪拌濃度,提高分散性。

  4) 分散過(guò)程為減少極性物與非極性物距離,提高勢(shì)能或表面能,所以為吸熱反應(yīng),攪拌時(shí)總體溫度有所下降。如條件允許應(yīng)該適當(dāng)升高攪拌溫度,使吸熱變得容易,同時(shí)提高流動(dòng)性,降低分散難度。

  5) 攪拌過(guò)程如加入真空脫氣過(guò)程,排除氣體,促進(jìn)固-液吸附,效果更佳。

  6) 分散原理、分散方法同正極配料中的相關(guān)內(nèi)容

稀釋?zhuān)?/span>

  將漿料調(diào)整為合適的濃度,便于涂布。

物料球磨

  1) 將負(fù)極和KetjenblackECP倒入料桶同時(shí)加入球磨(干料:磨球=1:1.2)在滾瓶及上進(jìn)行球磨,轉(zhuǎn)速控制在60rmp以上;

  2) 4小時(shí)結(jié)束,過(guò)篩分離出球磨;

操作步驟

  1) 純凈水加熱至至80&deg;C倒入動(dòng)力混合機(jī)(2L)

  2) 加CMC,攪拌60&plusmn;2min;動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:公轉(zhuǎn)為25&plusmn;2min,自轉(zhuǎn)為15&plusmn;2r/min;

  3) 加入SBR和去離子水,攪拌60&plusmn;2min;

  動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:公轉(zhuǎn)為30&plusmn;2min,自轉(zhuǎn)為20&plusmn;2r/min;

  4) 負(fù)極干料分四次平均順序加入,加料的同時(shí)加入純凈水,每次間隔28-32min;動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:公轉(zhuǎn)為20&plusmn;2r/min,自轉(zhuǎn)為15&plusmn;2r/min;

  5) 第四次加料30&plusmn;2r/min后進(jìn)行高速攪拌,時(shí)間為480&plusmn;10min;

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:公轉(zhuǎn)為30&plusmn;2r/min,自轉(zhuǎn)為25&plusmn;2r/min;

  6) 真空混合:將動(dòng)力混合機(jī)接上真空,保持真空度為-0.09到0.10Mpa,攪拌30&plusmn;2min;動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置:公轉(zhuǎn)為10&plusmn;2min,自轉(zhuǎn)為8&plusmn;2r/min

  7) 取500ml漿料,使用黏度計(jì)測(cè)量黏度;測(cè)試條件:轉(zhuǎn)子號(hào)5,轉(zhuǎn)速30rpm,溫度范圍25&deg;C;

  8) 將負(fù)極料從動(dòng)力混合機(jī)中取出進(jìn)行磨料、過(guò)篩,同時(shí)在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識(shí),與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

注意事項(xiàng)

  1) 完成,清理機(jī)器設(shè)備及工作環(huán)境;

  2) 操作機(jī)器時(shí),需注意安全,避免砸傷頭部。

配料注意事項(xiàng):

  &middot;防止混入其它雜質(zhì);

  &middot;防止?jié){料飛濺;

  &middot;漿料的濃度(固含量)應(yīng)從高往低逐漸調(diào)整,以免增加麻煩;

  &middot;在攪拌的間歇過(guò)程中要注意刮邊和刮底,確保分散均勻;

  &middot;漿料不宜長(zhǎng)時(shí)間擱置,以免沉淀或均勻性降低;

  &middot;需烘烤的物料必須密封冷卻之后方可以加入,以免組分材料性質(zhì)變化;

  &middot;攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短以設(shè)備性能、材料加入量為主;

  &middot;攪拌槳的使用以漿料分散難度進(jìn)行更換,無(wú)法更換的可將轉(zhuǎn)速由慢到快進(jìn)行調(diào)整,以免損傷設(shè)備;

  &middot;出料前對(duì)漿料進(jìn)行過(guò)篩,除去大顆粒以防涂布時(shí)造成斷帶;

  &middot;對(duì)配料人員要加強(qiáng)培訓(xùn),確保其掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí),以免釀成大禍;

  &middot;配料的關(guān)鍵在于分散均勻,掌握該中心,其它方式可自行調(diào)整。

聚合物鋰離子電池制作所需參數(shù)

1.極片尺寸

聚合物鋰離子電池極片尺寸

2.拉漿工藝

  a)集流體尺寸

  正極(鋁箔),間歇涂布

  負(fù)極(銅箔),間歇涂布

  b)拉漿重量要求

拉漿重量要求

3.正極拉漿后進(jìn)行以下工序:

  裁大片  裁小片  稱(chēng)片(配片)  烘烤  軋片極耳焊接負(fù)極拉漿后進(jìn)行以下工序:

  裁大片  裁小片  稱(chēng)片(配片)  烘烤  軋片極耳焊接

4.軋片要求

聚合物鋰離子電池軋片要求

5.配片方案

配片方案

6.極片烘烤

極片烘烤

  備注:真空系統(tǒng)的真空度為-0.095-0.10Mpa;保護(hù)氣為高純氮?dú)猓瑲怏w氣壓大于0.5Mpa

7.極耳制作

  a) 正極:

  正極極耳在正極片處采用超聲波焊接。鋁條末端與極片邊緣平齊。

  b) 負(fù)極:

  鎳條尺寸:0.10&times;3.0&times;48mm,鎳條直接用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊,要求點(diǎn)焊點(diǎn)數(shù)為8個(gè)點(diǎn)鎳條右側(cè)與負(fù)極片右側(cè)對(duì)齊,鎳條末端與極片邊緣平齊。

8.隔膜尺寸:0.025&times;44.0&times;790&plusmn;5mm

9.卷針寬度:22.65&plusmn;0.05mm

10.壓芯:電池卷繞后,先在電芯底部貼上24mm寬的透明膠紙,再用壓平機(jī)冷壓兩次。

11.電芯入殼前要求

  膠紙1:10.0&times;38.0&plusmn;1.0mm,膠紙?jiān)陔娦緝蓚?cè)分布均勻; 

  膠紙2:10.0&times;38.0&plusmn;1.0mm,鎳條在膠紙中央;

  膠紙3:24.0&times;30.0&plusmn;2.0mm,膠紙?jiān)陔娦緝蓚?cè)分布均勻;

  鎳條右側(cè)距電芯右側(cè)為7.0&plusmn;1.0mm。

12.裝殼

  裝殼時(shí)應(yīng)用雙手同時(shí)用力,緩緩將電芯裝入電池殼中,禁止劃傷電芯。

13.負(fù)極極耳焊接

  負(fù)極鎳條與鋼殼用點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行焊接,要保證焊接強(qiáng)度,禁止虛焊。

14.激光焊接

  激光焊接時(shí)應(yīng)仔細(xì)上夾具,電池殼與上蓋配合良好后才能進(jìn)行焊接,注意避免出現(xiàn)焊偏。

15.電池真空烘烤

電池真空烘烤

備注:

  (1)真空系統(tǒng)的真空度為-0.095~-0.10MPa;

  (2)保護(hù)氣為高純氮?dú)?,氣體壓力>0.5MPa;

  (3)每小時(shí)抽一次真空注一次氮?dú)?/span>

16.注液量:2.9&plusmn;0.1g

  注液房相對(duì)濕度:&le;30%,溫度:20&plusmn;5℃封口膠布:6mm寬紅色膠布,粘膠紙時(shí)注意擦凈注液口處的電解液用2道橡皮筋將棉花固定在注液口處。

17.化成制度

  1) 開(kāi)口化成工藝

  a) 恒流充電:40mA&times;4h;80mA&times;6h

  電壓限制:4.00V

  b) 全檢電壓,電壓&ge;3.90V的電池進(jìn)行封口,電壓<3.90V的電池用60mA恒流至3.90~4.00V后封口,再打鋼珠

  c) 電池清洗,清洗劑為醋酸+酒精

2) 續(xù)化成制度

  按程序進(jìn)行續(xù)化成:

  a) 恒流充電(400mA,4.20V,10min)

  b) 休眠(2min)

  c) 恒流充電(400mA,4.20V,100 min)

  d) 恒壓充電(4.20V,20 mA,150 min)

  e) 休眠(30min)

  f) 恒流放電(750mA,2.75V,80 min)

  g) 休眠(30min)

  h) 恒流充電(750mA,3.80V,90 min)

  j) 恒壓充電(3.80V,20 mA,150 min)

3) 檢測(cè)分容

  按如下檔次對(duì)電池進(jìn)行分容:

鋰電池分容

電池下柜后全檢電壓,電壓<3.77V的電池采用程序補(bǔ)電:

 ?。?)恒流充電(750mA,3.80V,10 min)

  (2)休眠(2min)

 ?。?)恒流充電(750mA,3.80V,30 min)

 ?。?)恒壓充電(3.80V,20 mA,60min)

18 電池復(fù)檢

  電池下柜分容后在室溫下放置20天進(jìn)行復(fù)檢,步驟如下:

  a) 用整形機(jī)對(duì)電池整形;

  b) 全檢電池厚度、電壓、內(nèi)阻,分類(lèi)方法如下:

全檢電池厚度、電壓、內(nèi)阻

聚合物鋰離子電池制作工藝流程

  1.(正、負(fù)極)干混&rarr;濕混&rarr;滾涂膏體在導(dǎo)電基體上&rarr;3步干燥&rarr;卷繞&rarr;切邊(切成一定寬度)&rarr;輥壓&rarr;卷繞(備用)干混采用球磨, 磨球是玻璃球或氧化鋯陶瓷球;

  濕混采用。行星式拌粉機(jī), 其葉片分別裝在2-3個(gè)軸上, 混合效果更好。濕混中溶劑數(shù)量要恰當(dāng), 形成合適的流變態(tài), 以獲得平滑的涂層。滾涂電極膏體要保證一定的粘度, 膏體涂于鋁箔或銅箔的兩面, 而涂層的厚度取決于電池的型號(hào)。然后再相繼通過(guò)3個(gè)加熱區(qū)進(jìn)行干燥, NMP(或水)從涂層中隨熱空氣或干燥氮?dú)饬鲃?dòng)而揮發(fā), 溶劑可以回收再利用。輥壓是為了提高涂層的密度, 并使電極厚度能符合電池裝配的尺寸, 輥壓階段的壓力要適中, 以免卷繞時(shí)粉料散落。

2.電池的組裝

  圓柱電池的裝配工藝流程:絕緣底圈入筒&rarr;卷繞電芯入筒&rarr;插入芯軸&rarr;焊負(fù)極集流片于鋼筒&rarr;插入絕緣圈&rarr;鋼筒滾線(xiàn)&rarr;真空干燥&rarr;注液&rarr;組合帽(PTC元件等)焊到正極引極上&rarr;封口&rarr;X射線(xiàn)檢查&rarr;編號(hào)&rarr;化成&rarr;循環(huán)&rarr;陳化。

  方形電池裝配工藝流程:絕緣底入鋼盒&rarr;片狀組合電芯入筒&rarr;負(fù)極集流片焊于鋼盒&rarr;上密封墊圈&rarr;正極集流片焊于桿引極&rarr;組合蓋(PTC元件等)焊到旋引極上&rarr;組合蓋定位&rarr;激光焊接&rarr;真空干燥&rarr;注液&rarr;密封&rarr;X射線(xiàn)檢查&rarr;編號(hào)&rarr;化成&rarr;循環(huán)&rarr;陳化。

  裝配工藝說(shuō)明:以圓柱形電池為例(方形電池基本過(guò)程相同)。卷繞芯入筒以前, 將鋁條(0.08&mdash;0.15㎜厚、3㎜寬)和鎳條(0.04&mdash;0.10㎜厚, 3㎜寬)分別用超聲波焊接在正、負(fù)極導(dǎo)電基體的指定處作為集流引極。

  電池隔膜一般采用PE/PP2層或PP/PE/PP 3層組成, 隔膜都是經(jīng)過(guò)120℃熱處理過(guò)的, 以增加其阻止性和提高其安全性。

  正極、隔膜、負(fù)極3者疊合后卷繞入筒, 由于采用涂膏電極, 故必須讓膏體材料與基體結(jié)合得好, 以形成高密度電極, 特別要防止掉粉, 以免其穿透隔膜而引起電池內(nèi)部短路。

  在卷繞電芯插入鋼筒以前, 放一個(gè)絕緣底入鋼筒底部是為了防止電池內(nèi)部短路這對(duì)于一般電池都是相同的。

  電解質(zhì)一般采用LiPF6和非水有機(jī)溶劑, 在真空注液以前,電池要真空干燥24/h, 以除去電池組分中的水分和潮氣, 以免LiPF6與水反應(yīng)形成HF而縮短壽命。

  電池密封采用涂密封膠、插入墊圈、卷邊加斷面收縮過(guò)程,基本原理與堿性可充電池相同。封口以后, 電池要用異丙醇和水的混合液除去油污物和濺出的電解液, 然后再干燥。使用一種氣味傳感器或&ldquo; 嗅探器&rdquo;元件檢查電池漏液情況。

  整個(gè)電池裝配完成以后, 電池要用X射線(xiàn)鑒定電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否正常, 對(duì)于電芯不正、鋼殼裂縫、焊點(diǎn)情況、有無(wú)短路等進(jìn)行檢查, 排除有上述缺陷的電池, 確保電池質(zhì)量。

  最后一道工序是化成, 電池第1次充電, 陽(yáng)極上形成保護(hù)膜, 稱(chēng)為固體電解質(zhì)中間相層(SEI), 它能防止陽(yáng)極與電解質(zhì)反應(yīng), 并是電池安全操作、高容量、長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵要素。電池經(jīng)過(guò)幾次充放電循環(huán)以后陳化2&mdash;3周, 剔去微短路電池, 再進(jìn)行容量分選包裝后即成為商品了。

三、電池的性能

1.電性能: 

 ?。?) 額定容量:0.5C放電,單體電池放電時(shí)間不低于2h,電池組放電時(shí)間不低于108min(95%); 

 ?。?)1C放電容量:1C放電,單體電池放電時(shí)間不低于57min(95%),電池組放電時(shí)間不低于54min(90%); 

 ?。?)低溫放電容量:-20℃下0.5C放電,單體或電池組放電時(shí)間均不低于72min(60%); 

 ?。?)高溫放電容量:55℃下0.5C放電,單體電池放電時(shí)間不低于104min(95%),電池組放電時(shí)間不低于108min(90%); 

 ?。?) 荷電保持及恢復(fù)能力:滿(mǎn)電常溫下擱置28天,荷電保持放電時(shí)間不低于96min(80%),荷電恢復(fù)放電時(shí)間不低于108min(90%); 

  (6)儲(chǔ)存性能:進(jìn)行貯存試驗(yàn)的單體電池或電池組應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足3個(gè)月的,貯存前充50%~60%的容量,在環(huán)境溫度40℃&plusmn;5℃,相對(duì)濕度45%~75%的環(huán)境貯存90天。貯存期滿(mǎn)后取出電池組,用0.2C充滿(mǎn)電擱置1h后,以0.5C恒流放電至終止電壓,上述試驗(yàn)可重復(fù)測(cè)試3次,放電時(shí)間不低于72min(60%); 

  (7)循環(huán)壽命:電池或電池組采用0.2C充電,0.5C放電做循環(huán),當(dāng)連續(xù)兩次放電容量低于72min(60%)時(shí)停止測(cè)試,單體電池循環(huán)壽命不低于600次,電池組循環(huán)壽命不低于500次; 

 ?。?)高溫?cái)R置壽命:應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足三個(gè)月的單體電池的進(jìn)行高溫?cái)R置壽命試驗(yàn),進(jìn)行擱置前應(yīng)充入50%&plusmn;5%的容量,然后在環(huán)境溫度為55℃&plusmn;2℃的條下擱置7天。7天后將電池取出,在環(huán)境溫度為20℃&plusmn;5℃下擱置2~5h。先以0.5C將電池放電至終止電壓,0.5h后按0.2C進(jìn)行充電,靜置0.5h 后,再以0.5C恒流放電至終止電壓,以此容量作為恢復(fù)容量。以上步驟為1周循環(huán),直至某周放電時(shí)間低于72min(60%),試驗(yàn)結(jié)束。擱置壽命不低于56天(8周循環(huán))。 

2.安全性能

 ?。?)持續(xù)充電:將單體電池以0.2ItA恒流充電,當(dāng)單體電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí),改為恒壓充電并保持28d,試驗(yàn)結(jié)束后,應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸(相當(dāng)于滿(mǎn)電浮充)。 

  (2)過(guò)充電:將單體電池用恒流穩(wěn)壓源以3C恒流充電,電壓達(dá)到10V后轉(zhuǎn)為恒壓充電,直到電池爆炸或起火或充電時(shí)間為90min或電池表面溫度穩(wěn)定(45min內(nèi)溫差&le;2℃)時(shí)停止充電,電池應(yīng)不起火、不爆炸(3C10V);將電池組用穩(wěn)壓源以0.5ItA恒流充電,電壓達(dá)到n&times;5V(n為串聯(lián)單體電池?cái)?shù))后轉(zhuǎn)為恒壓充電,直到電池組爆炸或起火或充電時(shí)間為90min或電池組表面溫度穩(wěn)定(45min內(nèi)溫差&le;2℃)時(shí)停止充電,電池應(yīng)不起火、不爆炸。 

 ?。?)強(qiáng)制放電(反向充電):將單體電池先以0.2ItA恒流放電至終止電壓,然后以1ItA電流對(duì)電池進(jìn)行反向充電,要求充電時(shí)間不低于90min,電池應(yīng)不起火、不爆炸;將電池組其中一只單體電池放電至終止電壓,其余均為充滿(mǎn)電態(tài)的電池,再以1ItA恒流放電至電池組的電壓為0V時(shí)停止放電,電池應(yīng)不起火、不爆炸。 

 ?。?)短路測(cè)試:將單體電池經(jīng)外部短路90min,或電池表面溫度穩(wěn)定(45min內(nèi)溫差&le;2)時(shí)停止短路,外部線(xiàn)路電阻應(yīng)小于50m&Omega;,電池應(yīng)不起火、不爆炸;將電池組的正負(fù)極用小于電阻0.1&Omega;的銅導(dǎo)線(xiàn)連接直至電池組電壓小于0.2V或電池組表面溫度穩(wěn)定(45min內(nèi)溫差&le;2℃),電池應(yīng)不起火、不爆炸 

3.機(jī)械性能

  (1)擠壓:將單體電池放置在兩個(gè)擠壓平面中間,逐漸增加壓力至13kN,圓柱形電池?cái)D壓方向垂直于圓柱軸的縱軸,方形電池?cái)D壓電池的寬面和窄面。每只電池只能接受一次擠壓。試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合4.1.2.1的規(guī)定。在電池組上放一直徑為15cm的鋼棒對(duì)電池組的寬面和窄面擠壓電池組,擠壓至電池組原尺寸的85%,保持5min,每個(gè)電池組只接受一次擠壓。 

 ?。?)針刺:將單體電池放在一鋼制的夾具中,用&phi;3mm~&phi;8mm的鋼釘從垂直于電池極板的方向貫穿(鋼針停留在電池中),持續(xù)90min,或電池表面溫度穩(wěn)定(45min內(nèi)溫差&le;2℃)時(shí)停止試驗(yàn)。 

 ?。?)重物沖擊:將單體電池放置于一鋼性平面上,用直徑15.8mm的鋼棒平放在電池中心,鋼棒的縱軸平行于平面,讓重量9.1kg的重物從610mm高度自由落到電池中心的鋼棒上;單體電池是圓柱形時(shí),撞擊方向垂直于圓柱面的縱軸;單體電池是方形時(shí),要撞擊電池的寬面和窄面,每只電池只能接受一次撞擊。 

  (4) 機(jī)械沖擊;將電池或電池組采用剛性固定的方法(該方法能支撐電池或電池組的所有固定表面)將電池或電池組固定在試驗(yàn)設(shè)備上。在三個(gè)互相垂直的方向上各承受一次等值的沖擊。至少要保證一個(gè)方向與電池或電池組的寬面垂直,每次沖擊按下述方法進(jìn)行:在最初的3ms內(nèi),最小平均加速度為735m/s2,峰值加速度應(yīng)該在1225 m/s2和1715 m/s2之間。 

 ?。?) 振動(dòng):將電池或電池組直接安裝或通過(guò)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)面上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為頻率10Hz~55Hz,加速度29.4 m/s2,XYZ每個(gè)方向掃頻循環(huán)次數(shù)為10次,掃頻速率為1oct/min。 

 ?。?)自由跌落:將單體電池或電池組由高度(最低點(diǎn)高度)為600mm的位置自由跌落到水泥地面上的20mm厚的硬木板上,從XYZ三個(gè)方向各一次。自由跌落結(jié)束后。 

4.環(huán)境適應(yīng)性 

 ?。?)高溫烘烤:將單體電池放入高溫防爆箱中,以(5&plusmn;2℃)/min升溫速率升溫至130℃,在該溫度下保溫10min。 

 ?。?)高溫儲(chǔ)存:將單體電池或電池組放置在75&plusmn;2℃的烘箱中擱置48h,電池應(yīng),應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。 

 ?。?)低氣壓:(UL標(biāo)準(zhǔn))。 

鋰電池對(duì)各組成部份物質(zhì)的要求 :

1.對(duì)正負(fù)極物質(zhì)的要求 :

  &middot;正極電位超正,負(fù)極電位越負(fù) 

  &middot;活性要高(反應(yīng)快) 

  &middot;活性物質(zhì)在電解液中要穩(wěn)定,自溶速度要小 

  &middot;活性物質(zhì)要有良好的導(dǎo)電性能,電阻小 

  &middot;便于生產(chǎn),資源豐富 

2.導(dǎo)電劑的選擇: 

  &bull; 有優(yōu)異的的導(dǎo)電性 

  &bull; 化學(xué)成份穩(wěn)定,吸水性小,易貯存 

  &bull; 便于使用 

  目前市場(chǎng)上最好的導(dǎo)電劑是日本的Ketjenblack(科琴超導(dǎo)碳黑)系列超級(jí)導(dǎo)電劑,如果Ketjenblack ECP和Ketjenblack ECP600JD。日本的產(chǎn)家大都采用這種導(dǎo)電劑。

  科琴超導(dǎo)碳黑主要由上海翠科化工科技有限公司供應(yīng)。 

3.對(duì)電解液的要求 

  &middot;電導(dǎo)率高,擴(kuò)散效率好,粘度低 

  &middot;化學(xué)成份穩(wěn)定,揮發(fā)性小,易貯存 

  &middot;正負(fù)極活性物質(zhì)在電液中能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定 

  &middot;便于使用 

電解液目前存在的突出問(wèn)題 

  &middot;與正負(fù)極的相容性。 

  &middot;隨電壓升高,電解質(zhì)溶液分解產(chǎn)生氣體,使內(nèi)壓增大,導(dǎo)致對(duì)電池空難性的破壞以

  及升高電池工作溫度時(shí)溶劑的抗氧化能力較低。  

4.對(duì)隔膜要求 

  &middot;有良好的穩(wěn)定性 

  &middot;具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和抗彎曲能力,有抗拒枝晶穿透能力 

  &middot;吸水性良好,孔徑、孔率符合要求 

  &middot;便于使用 

5.對(duì)外殼要求 

  &middot;有較高的機(jī)械強(qiáng)度,承受一般的沖擊 

  &middot;具有耐工藝腐蝕的能力 

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