鋰離子電池入門工藝

目錄

1.鋰離子電池基本原理

2.鋰離子電池的基本構(gòu)造

3.鋰離子電池各工藝要點(diǎn)

4.鋰離子電池基本概念  

1.鋰離子電池基本原理

以鈷酸鋰-石墨體系為例: 

正極上發(fā)生的反應(yīng)為

LiCoO₂ = Li_1-xCoO_{2 + xLi⁺+xe^- (電子)}

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為

6C + xLi⁺ + xe^- (電子) =Li_xC₆

2.鋰離子電池基本構(gòu)造

2.1 正極構(gòu)造

活性物質(zhì)+導(dǎo)電劑+粘結(jié)劑+集流體(鋁箔)

正極配方:

2.2 負(fù)極構(gòu)造

活性物質(zhì)+導(dǎo)電劑+增稠劑+粘結(jié)劑+集流體(銅箔)

負(fù)極配方:

2.3 隔膜構(gòu)造

聚烯烴隔膜的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

濕法隔膜

2.4 蓋帽構(gòu)造

3.鋰離子電池各工藝控制要點(diǎn)

3.1配料合漿:

正(負(fù))極漿料配制，是將正(負(fù))極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等正(負(fù))極物質(zhì)混合在一起的混料過(guò)程，混料是把電池活性物質(zhì)材料和輔料，在溶劑中進(jìn)行高度分散形成牛頓型高粘度流體，達(dá)到將活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑及其它添加劑充分混合，均均分散的目的。

控制點(diǎn)

(1)原料要符合工藝要求，如材料種類型號(hào)，各組分的加入量;

(2)正極不能帶入水分;

(3)設(shè)備注意干燥，控制室內(nèi)濕度;

(4)PVDF溶解過(guò)程比較緩慢，制漿前需提前溶解PVDF于NMP中，CMC也是較難溶液，制漿前需提前溶解CMC于水中;PVDF和CMC要充分溶解，分散均勻，如果存在顆粒的粘結(jié)劑或增稠劑必須增加攪拌時(shí)間或者更改攪拌工藝; (5)加入導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)后，漿料應(yīng)均勻- -致，沒(méi)有團(tuán)聚的顆粒，并且漿料中氣泡應(yīng)除盡，正極粘度: 4000-10000mpa.s,負(fù)極粘度: 1500mpa.s， 漿料粘度和固含量對(duì)涂漿工藝影響至關(guān)重要。

固含量測(cè)試方法:

固含量=固化后漿料質(zhì)量/漿料質(zhì)量*100%

3.2涂漿(布)與干燥:

涂布過(guò)程是把漿料涂敷到集流體上，干燥是將漿料中溶劑全部除去。鋰電池極片涂布時(shí)，與一般的涂料涂布明顯不同:漿料濕涂層較厚，漿料為牛頓型高粘度流體，流體流動(dòng)是所需剪應(yīng)力，隨

流速的改變而改變。涂布厚度的調(diào)整很難根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行，這也是涂布機(jī)涂布過(guò)程中的難點(diǎn)。它對(duì)操作者的熟練程度、經(jīng)驗(yàn)要求很高。極片涂布的準(zhǔn)確度要求很高，厚度偏差約士3um,

因此對(duì)設(shè)備要求很高。

控制點(diǎn)

(1)要盡可能保證涂布的一致性，操作時(shí)應(yīng)注意漿料粘度的變化、料斗上液面高度的變化、涂布速度的變化; (2)鋁箔上漿料薄層進(jìn)入烤箱干燥，除去NMP溶劑(NMP沸點(diǎn)202°C,閃點(diǎn)95°C)。干燥過(guò)慢，涂層表面有流動(dòng)性，厚度不穩(wěn)定，干燥過(guò)快，表面形成PVDF膜層，內(nèi)部的NMP溶劑揮發(fā)會(huì)造成表面層起皺現(xiàn)象，為保證NMP均勻蒸發(fā)，通常采用分段干燥，中間段溫度最高。正極-般為100-130°C,負(fù)極若采用水性體系，干燥溫度一般為75-90°C; 還有干燥過(guò)程N(yùn)MP揮發(fā)，涂布漿料的組成不斷變化，所以配制漿料的NMP溶劑的量、升溫方式和加熱時(shí)間，對(duì)此都有影響;

(3)加熱溫度或時(shí)間不夠，難以除去漿料中的液體，使部分粘結(jié)劑溶解,造成活性物質(zhì)剝落;加熱溫度過(guò)高，則粘結(jié)劑發(fā)生晶化，也會(huì)使活性物質(zhì)剝落，從而造成電芯內(nèi)短路。另外，干燥溫度和烘干時(shí)間不合適還會(huì)造成鋁箔氧化和極片偏濕;

(4)涂布和干燥要做到首件三檢-厚度、質(zhì)量、尺寸符合要求，并定時(shí)檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)的拉漿速度、烘烤時(shí)間、間隙等。

關(guān)于條痕暗痕的解釋:

暗痕是由于涂布時(shí)，極片表面部分厚度不均,出現(xiàn)色差，顯示外觀為暗痕。厚度不均的原因可能是： (1)在拉漿過(guò)程中因刀口有異物或刀口表面不平整(有豁口)，造成極片表面厚度不均勻的現(xiàn)象;

(2)在輥壓前或輥壓后出現(xiàn)的呈線狀的痕跡。多因刀口未打開(kāi)的顆粒，或有小的干漿料卡在刀口上所致。

FT-1暗痕的SEM圖:

3.3壓光與切片

極片經(jīng)過(guò)壓實(shí)， 一方面可以增加極片的比容量，使活性物質(zhì)欲導(dǎo)電劑、集流體充分接觸，有利于活性物質(zhì)電化學(xué)性能充分發(fā)揮;另一方面，滾壓后極片強(qiáng)度提高，光潔度增大，有利于后續(xù)工藝加工，減少損耗。

控制點(diǎn)

(1)滾壓應(yīng)注意厚度符合工藝要求;

(2)壓片時(shí)應(yīng)注意氣泡、掉料、極片變形、波浪邊等;

(3)對(duì)輥機(jī)輥徑越大越好;

(4)極片分切尺寸規(guī)格符合工藝要求，不掉料、無(wú)波浪邊，毛刺符合工藝要求;

控制點(diǎn)

(1)無(wú)掉粉，波浪邊;

(2)極片尺寸符合工藝要求;

(3)貼膠及極耳焊接符合要求;

(4)毛刺符合工藝要求。

3.5 卷繞入殼點(diǎn)底焊滾槽

遵循負(fù)極包住正極原則有以下控制點(diǎn):

(1)卷繞頭部尾部，負(fù)極超出正極5mm以上;

(2)極片邊緣負(fù)極包住正極(X-ray檢測(cè))。

PS:測(cè)試電芯是否內(nèi)部短路，公司有哪幾項(xiàng)措施?

(3)點(diǎn)底焊符合工藝要求焊接拉力，不虛焊，不過(guò)焊。

(4)滾槽符合工藝尺寸，無(wú)掉鍍層等外觀問(wèn)題，無(wú)翹墊片現(xiàn)象。

內(nèi)部短路問(wèn)題：

3.6 烘烤注液

所有的控制點(diǎn)最主要的目的:水分控制！

水分不合格的后果:電芯化成分容后CID翻轉(zhuǎn)、電芯低容低壓、循環(huán)差等等問(wèn)題。

此外:電芯注液量也是重要控制點(diǎn)。

3.7封口

控制點(diǎn):

(1)滿足封口工藝尺寸;

(2)氣密性滿足要求;

(3)無(wú)外觀問(wèn)題。

3.8化成分容

化成:根據(jù)工藝要求設(shè)置工步，小電流放電，最終電壓不高于3.7V; 分容:根據(jù)工藝要求設(shè)置分容工步;

PS:溫度對(duì)化成和容量的影響較大，所以要控制車間溫度。

化成目的:

(1)激活正負(fù)極材料;

(2)負(fù)極形成SEI膜。

成膜反應(yīng)一般在:電壓<1. 2V 電壓<2.5V，主要是H2和C02產(chǎn)生，電壓>3. 0V,EC、EMC、 DMC分解，產(chǎn)生其它烷烴類氣體，電芯3.0-3.5V產(chǎn)氣最多，3. 5V后SEI膜基本生成，電壓> 3. 8V，DMC和EMC分 解產(chǎn)氣為主。

4.鋰離子電池基本概念

電壓:電器工作時(shí)的電壓3.0-4.2/2.5-4.2(單位: V)，放電時(shí)，電壓不停下降，平臺(tái)電壓指占整個(gè)放電時(shí)間的絕大部分的那段電壓，一般標(biāo)稱電壓是平臺(tái)電壓的中心電壓，在此電壓附近，充電和放電時(shí)電壓變化都很慢。

內(nèi)阻:電芯本身的電化學(xué)阻抗，包括歐姆電阻核電化學(xué)電阻，大電流放電時(shí)，內(nèi)阻對(duì)放電特性的影響尤為明顯(單位: m92)。

容量:指在一定放電條件下，可以從電池獲得的電量，即電流對(duì)時(shí)間的積分(單位: mAh或Ah) 。

倍率:指電芯按照標(biāo)稱容量的倍數(shù)放電下，其放電能力的表述。

循環(huán):指二次電池按照一定 的制度進(jìn)行充放電，其性能衰減到某一程度時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

存儲(chǔ)性能:貯存性能。電池貯存一段時(shí)間后， 會(huì)因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導(dǎo)致電池自放電，電解液泄漏，電池短路等。

放電特性:是指電池在一定的放電制度下，其工作電壓的平穩(wěn)性，電壓平臺(tái)的高低以及大電流放電性能等，它表明電池代負(fù)載的能力。

IEC61960規(guī)定，圓柱形和方形電池的規(guī)則如下:

圓柱形電池，3個(gè)字母后連5個(gè)數(shù)字。3個(gè)字母，I表示有內(nèi)置的鋰離子，L表示鋰金屬或鋰合金電極。第二個(gè)字母表示正極材料，C表示鈷，N表示鎳，M表示錳，V表示釩。第三個(gè)字母為R表示圓柱形。

5個(gè)數(shù)字，前2個(gè)數(shù)字表示直徑，后3個(gè)數(shù)字表示高度，單位都為mm。

如: ICR 18650就是直徑為18mm,高度為65mm的通用的18650圓柱形電池。

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