锂离子软包电池的生产

锂离子软包电池的生产 1 概述 1.1 锂离子电池的原理 当充电时发生下述反应化学方程式: ，-C，xLi，xe,LixC负极反应: ，-，，Li(Ni,Mn,Co)O,LiNi,Mn,CoO，xLi，xe正极反应: x21-2 C，Li(Ni,Mn,Co)O，C,LiC，Li(Ni,Mn,Co)O电池总反应: 2x1-x2 图1 锂离子电池工作原理 1.2 锂离子电池的优点 (1)能量密度大 (2)电压高 (3)使用温度范围广 (4)自放电少(保存特性好) 1.3 存在的问 (1)尽管小电流放电时能量密度高，但高负荷; (2)急速充电(大电流充电)时循环寿命变短; (3)小电流放电时循环特性非常差，因此高能量密度和循环特性发生冲突; (4)安全性，特别是反复充电时，电池的安全性存在问题 由于负极Li的形态伴随充放电发生了变化，金属Li放电时Li离子溶解在电解液中，反之充电时电解液中的Li离子变成金属Li析出，这样析出的Li不是以平滑的板状而是以针状结晶的形式长大，这就是所谓的树枝状结晶，即枝晶偏析问题成为安全问题和容量劣化的重要原因之一。 2 锂离子电池的组成部分 由五大部分组成:正极材料、负极材料、电解液、隔膜、铝塑膜外壳。 表1 正、负极材料的组成 分类 正极材料 负极材料 三元材料(LiNiCoMnO)、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁石墨 1-x-yxy2活性物质 锂等 导电极 SUPER-P/KS-6/KS-15等 SUPER-P/SP 粘结剂 PVDF(HSV900) CMC 溶剂 NMP(N-甲基吡咯烷酮) 去离子水(HO) 2集流体/载体 铝箔 铜箔 极耳和高温胶铝带、铝转镍和一种绿色的胶带 镍带和黄色高温胶 带 带 电解液:一般有LiPF、LiBF等复合盐，有机溶剂为丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、二甲基64 碳酸酯等。 隔膜:单层PE(聚乙烯)薄膜或者三层复合PP(聚丙烯)+PE(聚乙烯)+PP，单层厚 度一般为0.016,0.020mm，三层厚度一般为0.020,0.025mm。 2 锂离子电池的性能表征 表2 电池性能列表 常规性能 容量、电压、电阻 可靠性能 循环寿命、放电平台、自放电、贮存性能、高低温性能 安全性能 过充、短路、针刺、跌落、震动 循环寿命:电池在完全充电后完全放电，循环进行，知道容量衰减为初始容量的75%， 此时循环次数成为循环寿命。 放电平台:锂离子电池在完全充电后，放电到3.6V时容量记为C，放电至3V时容1 量记为C，C/C成为该电池的放电平台 010 4 影响锂离子电池安全性的内部因素 4.1 材料组成 1) 正极材料的热稳定性及其与电解液反应活性 2) 负极材料的稳定性及配比 3) 电解液的组成 4) 隔膜的选择 4.2 电池结构 电池结构的合理性 4.3 工艺 电池制作过程控制、极片毛刺、极粉脱落、卷绕对位、不良电池的筛选 4.4 内短路:微短路、结构性短路 微短路:主要是由正负极片上微物或凸点刺穿隔膜，引起电芯内部短路造成;轻微 的将造成自放电率高，严重的将造成电池爆炸。 极粉内短路:内层负极片掉粉刺穿隔膜造成电芯鼓胀。 电芯内部短路:主要由于电芯极耳过长与极片或者壳体接触造成短路，极耳压迫卷 芯导致正负极短路，引起电芯发烫，严重时会导致爆炸。 5 影响锂离子电池的外部因素 5.1 过充电 主要电芯的正极材料有关，LiCoO在大于4.2V时结构不稳定并放出氧气，同时电解2 液在大于4.2V时分解与LiCoO反应产生大量热，导致电芯内压急剧升高发生爆炸。 2 5.2 外短路 6 锂离子软包电池的工艺流程 图 2 锂离子电池生产工艺流程图 6.1 配料 按照正、负极材料配料表(如表3 和 表4 )进行称料，并在相应的温度下进行烘。合格的正负极材料便可按照正负极配浆工艺流程图进行制浆工作(不同的搅拌机搅烤 拌参数设置不同，图中以10L小搅拌机为例)，并随时注意浆料的温度，控制在30?以下，所需设备具有分散功能的双行星搅拌机。 表3 正极材料配料单实例 成分 型号 理论重量/g 比例 烘烤温度 备注 三元(镍钴锰酸锂) PLB-H5 44625 120? 主料0.7 锰酸锂 WJ-2100 19125 120? 主料0.3 HSV900 PVDF 1342.11 80? 粘结剂 NMP NMP 34569.4 溶剂 SURPER-P(一种石墨) SP 1006.6 120? 导电剂 KS-15(一种石墨) KS-6 1006.6 120? 导电剂 表4 负极材料配料单实例 成分 理论重量/g 比例 备注 石墨K30 29615 主料 CMC 403.1 粘结剂 SBR 1364.5 增稠剂，浓度50% S-P 301.1 导电剂 HO 40424.7 溶剂 2 图3 正极配浆工艺流程图 图4 负极制浆工艺流程图 6.2 涂布、滚压、切片及制片 配料完成后，并调试好涂布机，便可以进行涂布作业，在涂布过程中应确认涂布各项指标达到工艺参数的，比如面密度，涂布看度，图层长度及间隙等，如表 和图 所示。涂完后的正负极片放在抽真空的烘箱中烘烤12h，温度110?。当烘烤完毕，温湿度达到(<30?,30%RH)即可进行滚压、切片和制片等工作，合格的极片不得有露集体、破损等问题，不合格极片不得流转。所用设备:涂布机、辊压机、切片机和制片机。 表5 涂布部分参数 正极 负极 箔材(集流体) 铝箔600*0.020 铜箔600*0.012 涂布宽度 580?10 595(0,+4) 22单面密度 198?3g/m 86?2g/m 22双面密度 396?5 g/m 172?g/m 图5 正极片尺寸示意图 图6 负极片尺寸示意图 6.3 装配 将正负极片及隔膜，采用卷绕机卷起来，要求卷绕对位。然后放到冲好的铝塑壳中，经过压芯、测短、顶侧封等工序后，即完成了软包电池的装配工作。 图7 软包锂电芯结构 6.4 注液 将电解液注入装配好的电芯中，然后封口。注液环境湿度20%-40%RH，实例:注液量25?0.3g/只。 6.5 化成、分容 按照规定的工步进行化成、分容。经化成、分容后，电芯生产基本完毕。