锂电池的基本工艺概述.docx

《锂电池的基本工艺概述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锂电池的基本工艺概述.docx（24页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、锂电池的基本工艺概述目录1 .序言12 .电极片制备2?正负极材料2?导电剂3?粘结剂4?油系粘结剂4?水系粘结剂4?集流体53 .卷绕64 .封装8?方形电池8?软包电池9?圆柱电池10?三种锂电池封装方式的对比：115 .注液115.1.锂电池注液的意思115.2.工艺要求175 .3.品质管控176 .针刺177 .成品测试248 .模组259 .未来锂离子电池的发展趋势261.序言离子电池作为最先进的充电式电池之一，被广泛应用于各个领域。锂离子电池电芯的制造过程包括电极片制备、卷绕、封装、针刺和成品测试等步骤。2.电极片制备电极片制备是电芯制造的关键环节，需要选择合适的电极材料进行涂覆

2、和干燥处理。制备电极片需要材料主要包括：正负极材料、导电剂、粘结剂、正负极集流体。正负极材料实验室用正负极材料可以自主制备，也可以采购。正负极材料一般为粉末状，颗粒尺寸不宜过大，以便于均匀涂布（根据百度百科理解：将糊状聚合物、熔融态聚合物或聚合物溶液涂于纸、布、塑料薄膜上制得复合材料（膜）的方法）。一般情况下，正负极材料粉体粒径尺寸为微米级别，DmaX（最大直径）控制在30um以内。如果出现粉体团聚的现象，可将正负极材料经过研磨与过筛后再使用。导电剂导电剂的主要作用是在电极片中构建电子连通网络，使正负极活性材料与集流体导通。充放电过程中，尤其在正负极材料发生氧化还原反应时，实现活性材料与集流体

3、之间电荷转移和电子定向传输的功能。实验室常用的导电剂为碳基导电剂。包括零维点状导电碳材料（如乙快黑、导电炭黑等）、一维线状导电碳材料（如：碳纳米管、碳纳米纤维等）、二维面状导电碳材料（如石墨烯、导电石墨等）。综合考虑成本、导电性、分散加工性等因素，导电炭黑成为目前使用最广泛的导电剂。:维面状导电碳材料粘结剂粘结剂的主要功能是将正负极活性材料、导电材料（个人理解：导电剂）、集流体粘接在一起。虽然粘结剂没有容量（个人理解：不提升电池的电容量）且在电池中占比较少，但其对正负极片的力学性能、结构稳定性、电化学性能等具有影响。根据溶剂（个人理解：粘结剂的溶剂）的类型，目前广泛应用的粘结剂主要分类为油系（

4、N-甲基此咯（biIUe）烷酮，也称为NMP）、水系两类。画翻油系粘结剂油系粘结剂以聚偏氟乙烯（PVDF）为主（个人理解：聚偏氟乙烯是溶质），耐腐蚀能力强，高电压下结构稳定，主要用于正极材料配方中使用。NMP作为一种有机溶剂，易挥发，且溶解性强，较适用于对水分敏感的正极材料。在工业大规模生产中，通常将NMP蒸发后回收再利用。画翻水系粘结剂为了降低溶剂与回收设备等成本，负极浆料(个人理解：粘结剂)溶剂一般为去离子水。水系粘结剂材料(个人理解：溶质)主要分为两类：丁苯橡胶乳液、聚丙烯类聚合物。为了调节浆料粘度，提高浆料稳定性而改善沉降，一般会使用装甲基纤维素钠(CMC)作为增稠剂，搭配丁苯橡胶或聚

5、丙烯晴粘结剂一起使用。集流体集流体不仅具有承载活性物质的作用，而且可以将电池活性物质产生的电流汇集，以形成较大的电流对外输出。锂离子电池的正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。如果选择一面光滑、一面粗糙的箔材，应在粗糙的一面涂布，以增加集流体与正负极材料之间的结合力。理想的集流体应满足以下五个条件：(1)高导电率。良好的导电率有利于电子的传输，提高锂离子电池的比容量(克容量)和倍率性能。(2)高稳定性。等发生反应。集流体电化学性能稳定，不与活性物质、粘结剂、电解液的(3)结合性强。集流体与活性物质、粘结剂等兼容性好，结合性能强，具有较高的粘结强度。(4)成本低廉。成本低、易于获取，可以广泛用于生

6、产制造。(5)柔韧轻薄。质量轻、厚度较薄的集流体可提高锂离子电池的比容量。3.卷绕卷绕过程中需要确保电极片不随意移位或损坏，同时根据需要进行层数叠加。卷绕：既把激光切好后的极片，通过卷针的转动，把极片卷成一个层层包裹的卷芯状，正常包裹方式为隔膜，正极，隔膜，负极，涂胶隔膜面对着正极。一般卷针为棱形、椭圆形、圆形卷针，理论上讲，卷针越圆，卷芯贴合得越好,但圆形的卷针使得极耳翻折比较严重。在此主要考虑极耳对齐度，跑偏，断带。跑偏主要是由于极片的波浪边和卷针的水平度导致，可通过前工序的修正和设备的校正改善。卷绕过程中有CCD进行检测纠偏，检测正负极间距，正负极与隔膜间距。卷绕过后一般对应的是贴码和热

7、压，可烘烤后再热压，增强压实效这里我们主要提一下隔膜，隔膜是锂离子电池的重要组成部分，起着分隔正、负极，防止电池内部短路，允许电解质离子自由通过，完成电化学充放电过程的作用。其性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用，被业界称为电池的“第三电极”。锂离子电池对隔膜的要求包括：(1)具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；(2)有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性；(3)耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性，这是由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物；(4)具有良好的电

8、解液的浸润性，并且吸液保湿能力强；(5)力学稳定性高，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小；(6)空间稳定性和平整性好；(7)热稳定性和自动关断保护性能好；(8)受热收缩率小，否则会引起短路，引发电池热失控。1除此之外，动力电池通常采用复合膜，对隔膜的要求更高。锂离子电池隔膜材料可以分为：微孔聚烯烧膜、非织造布、聚合物/无机复合材料和凝胶聚合物电解质膜四大类。1聚烯燃微孔膜成本低廉、尺寸孔径可控、具有稳定的化学稳定性、良好的机械强度和电化学稳定性，并且具有高温自关闭性能(约140),保证了锂离子二次电池日常使用的安全性能。商品化的锂离子电池隔膜材料主要采用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)微孔

9、膜。2无纺布又称非织造布，是由纤维进行定向或随机撑列，形成纤网结构，然后采用机械、热粘或化学等方法加固而成。包括天然和合成纤维材料，如纤维素及其衍生物、聚烯燃纤维、聚酰胺(PA)纤维、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等。无纺布隔膜孔隙率高(60%80%),结构呈三维孔状，可防止锂离子电池中锂枝晶的生长。无纺布基材隔膜提高透气性和改善吸液性有独特的技术优势，且制备成本较低，将成为大容量高功率锂离子电池隔膜的重要发展趋势之一。3无机复合膜，也称陶瓷膜，是由少量粘合剂与无机粒子形成的多孔膜，对电解质溶液具有优良的润湿性，可以保持高容量的电解液如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC),有助于延长电池的循环

10、寿命，同时高温时具有优良的热稳定性和尺寸完整性，可提高电池的安全性能。因此，无机复合隔膜应用于锂离子电池成为人们的研究热点方向。4将PVDF-HFP和有机溶剂形成凝胶，同时充当液体电解质体系中隔膜和离子电导载体的功能，具有吸液保湿性能强、电导率高、加工性能良好等优点,从此凝胶聚合物电解质膜引起了人们的广泛关注，陆续报道了聚乙二醇(PEG)、聚丙烯晴(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVdF)及其共聚物、聚氧乙烯(PEO)等体系。然而这些凝胶聚合物电解质膜存在厚度过大限制电池容量，机械性能较差，缺乏聚烯燃隔膜的热关闭热性可能引发电池安全性能等不足，故而需要改良。4.封装封装是

11、将卷绕的电芯放置在铝箔袋内。按照封装工艺不同分为方形电池、软包电池和圆柱电池。当前市场上的动力电池主要以方形电池占主导，数码产品主要使用软包型电池，圆柱电池则作为高性价比产品填充市场份额，它们的特点分别是什么呢？?.1方形电池方形硬壳电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料，内部采用卷绕式或叠片式工艺，对电芯的保护作用优于于铝塑膜电池（即软包电池），电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善，不过方形硬壳电池关于冷却系统布置的要求更高。方形电池的普及率在国内很高，随着近年汽车动力电池的兴起，汽车续航里程与电池容量之间的矛盾日渐突显，国内动力电池厂商多采用电池能量密度较高的铝壳方形电池为主。优点：方形电芯的

12、封装壳体大多为铝合金以及不锈钢等材料，电池内部采用卷绕式或叠片式工艺，对电芯的保护作用更优于软包锂电池，电芯的安全性相较于圆柱形锂电池也有较大的改善。方形电池的结构较为简单，不像圆柱电池采用强度较高的不锈钢作为壳体及具有防爆安全阀的等附件，所以整体附件重量要轻，相对能量密度较高，单体数量自然随之降低，因此对BMS电池管理系统的要求也就更低。缺点：方形电芯包由于可以根据产品的尺寸进行定制化生产，但因此也会使得市场上有着众多不同型号的方形锂电池。而过多不同型号的锂电池，将会导致工艺很难统一，使得自动化水平不高，单体差异性较大，也可能存在成组的方形锂电池包远低于单个锂电池的寿命。?.2.软包电池软包

13、锂电池所用材料和处理工艺与传统的钢壳、铝壳锂电池之间的区别不大，很大的不同之处在于软包装材料（铝塑复合膜），这是软包锂电池中关键的材料。软包装材料通常分为三层，即外阻层（一般为尼龙BOPA或PET构成的外层保护层）、阻透层（中间层铝箔）和内层（多功能高阻隔层）o优点：安全性能好，软包电池在结构上采用铝塑膜包装，相对于硬壳封装不易发生爆炸；能量密度高，软包电池重量较同等容量的钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%；缺点：软包电池目前需要解决标准化与成本高、铝塑膜严重依赖进口、一致性较差等问题。?.3.圆柱电池优点：圆柱电池是最早成熟工业化的锂电池产品，经过二十多年的发展，现如今圆柱形锂电池生产

14、工艺成熟，生产效率较高，成本也相对较低，所以PACK的成本也相对较低，锂电池成品率较方形锂电池和软包锂电池都要高，其一致性与安全性也较为优秀。缺点：圆柱电芯由于一般采用钢壳封装，虽然安全性比较高，但是重量却也会因此而比较重，这样也会使得锂电池包的比能量相对较低。圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳，电池的卷绕圈数不能太多（18650电池的卷绕圈数一般在20圈左右），因此单体容量较小，应用在电动汽车上时需要大量单体组成电池模组和电池包，连接损耗和BMS管理复杂度都大大增加。?.4.三种锂电池封装方式的对比：1.方形：工艺较简单，对电芯有保护，

15、成组难度小，能量密度比圆柱高。但是没有标准化，型号太多、工艺难统一。以前方形主要是用卷绕，现在比如说刀片电池开始用叠片工艺。2,软包：纤薄的形式使能量密度更大，但强度低、制造工艺要求高，对成组的要求也高一些。3.圆柱：标准化较好，只有1865、2170、4680三种形式。历史悠久、工艺成熟，最早由1992年的索尼发明（最早的商用锂电池）；自动化程度高、产品一致性强、成本较低。缺点是：径向导热差所以卷绕层数不能太多，因此单体容量少，需要数百数千个单体，需要较高的电池热管理技术。止匕外，由于成组时空间利用率低、钢壳比较重，因此成组时能量密度并不高。锂电池封装形式还可以从另外一个维度分为卷绕与叠片。其中：圆柱只能用卷绕，软包只能用叠片，方形既可以卷绕也可以叠片。这三种封装都属于可用、好用的范畴。企业一旦定了选用哪种封装，除非封装工艺格局发生剧变，否则不会轻易更改。5.注液5.1.锂电池注液的意思注入电解液进行真空充电、放电和搅拌等操作，然后对铝箔袋进行焊接、密封。锂电池电解液作用就是正负极之间导通离子，担当充放电的介质，就如人体的血液。如何让电解液充分而均匀的浸润到锂电池内部，成为重要的课题。注液作为锂离子电池制程中的一道关键工序，