锂离子电池工艺大全

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠Li+Li+在两个电极之间在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作往返嵌入和脱嵌来工作，它主要有能量密度高，充电时间快，使用寿命长等，它主要有能量密度高，充电时间快，使用寿命长等特点特点。随着能源汽车下游产业不断发展，锂离子电池的生产规正在不断扩大。随着能源汽车下游产业不断发展，锂离子电池的生产规正在不断扩大。锂离子电池原理及工艺-大全2018锂离子电池简介一，锂离子电池的原理、配方和工艺流程1、工作原理1.1正极构造LiCoO2+导电剂+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）1.2负极构造石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+集流体（铜箔）1.3工作原理1.3.1 充电过程一个电源给电池充电，此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。此时：正负极物理反应为：1.3.2 电池放电过程放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。1.3.3 充放电特性电芯正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走x个Li离子后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于x的大小。通过研究发现当x 0.5时，Li1-xCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-xCoO2中的x值，一般充电电压不大于4.2V那么x小于0.5，这时Li1-xCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中心，以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则电芯的压倒很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现：安全充电上限电压4.2V，放电下限电压2.5V。记忆效应的原理是结晶化，在锂电池中几乎不会产生这种反应。但是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是复杂而多样的。主要是正负极材料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况，总之最终降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数目。过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，可以直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。不适合的温度将引发锂离子电池内部其他化学反应生成我们不希望看到的化合物，所以在不少的锂离子电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂。在电池升温到一定的情况下，复合膜膜孔闭合或电解质变性，电池内阻增大直到断路，电池不再升温，确保电池充电温度正常。二、锂电池的配方与工艺流程2.1正负极配方2.1.1 正极配方：LiCoO2+导电剂+粘合剂+集流体（铝箔）LiCoO2(10m):96.0%导电剂（Carbon ECP）2.0%粘合剂（PVDF 761）2.0%NMP（增加粘结性）:固体物质的重量比约为810:1496a)正极粘度控制6000cps（温度25转子3）；b)NMP重量须适当调节，达到粘度要求为宜；c)特别注意温度、湿度对黏度的影响正极活性物质：钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池提高锂源。非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为6-8 m，含水量0.2%，通常为碱性，pH值为10-11左右。锰酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为5-7 m，含水量0.2%，通常为弱碱性，pH值为8左右。导电剂：链状物，含水量90，固体不浸湿。正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料分散相对容易。分散方法对分散的影响1)静置法（时间长，效果差，但不损伤材料的原有结构）；2)搅拌法：自转或自转加公转（时间短，效果佳，但有可能损伤个别材料的自身结构）。搅拌桨对分散速度的影响：搅拌桨大致包括蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。一般蛇形、蝶形、桨型搅拌桨用来对付分散难度大的材料或配料的初始阶段；球形、齿轮形用于分散难度较低的状态，效果佳。搅拌速度对分散速度的影响。一般说来搅拌速度越高，分散速度越快，但对材料自身结构和对设备的损伤就越大。浓度对分散速度的影响。通常情况下浆料浓度越小，分散速度越快，但太稀将导致材料的浪费和浆料沉淀的加重。浓度对粘结强度的影响。浓度越大，柔制强度越大，粘接强度越大；浓度越低，粘接强度越小。真空度对分散速度的影响。高真空度有利于材料缝隙和表面的气体排出，降低液体吸附难度；材料在完全失重或重力减小的情况下分散均匀的难度将大大降低。温度对分散速度的影响。适宜的温度下，浆料流动性好、易分散。太热浆料容易结皮，太冷浆料的流动性将大打折扣。稀释：将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。2.1.5操作步骤a)将NMP倒入动力混合机（100L）至80C，称取PVDF加入其中，开机；参数设置：转速252转/分，搅拌115-125分钟；b)接通冷却系统，将已经磨好的正极干料平均分四次加入，每次间隔28-32分钟，第三次加料视材料需要添加NMP，第四次加料后加入NMP；动力混合机参数设置：转速为202转/分c)第四次加料302分钟后进行高速搅拌，时间为48010分钟；动力混合机参数设置：公转为302转/分，自转为252转/分；d)真空混合：将动力混合机接上真空，保持真空度为-0.09Mpa，搅拌302分钟；动力混合机参数设置：公转为102分钟，自转为82转/分e)取250-300毫升浆料，使用黏度计测量黏度；测试条件：转子号5，转速12或30rpm，温度范围25C；f)将正极料从动力混合机中取出进行胶体磨、过筛，同时在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。2.1.6注意事项a)完成，清理机器设备及工作环境；b)操作机器时，需注意安全，避免砸伤头部。2.2 负极混料2.2.1原料的预处理：1)石墨：A、混合，使原料均匀化，提高一致性。B、300400C常压烘烤，除去表面油性物质，提高与水性粘合剂的相容能力，修圆石墨表面棱角（有些材料为保持表面特性，不允许烘烤，否则效能降低）。2)水性粘合剂：适当稀释，提高分散能力。2.2.2 掺和、浸湿和分散：1)石墨与粘合剂溶液极性不同，不易分散。2)可先用醇水溶液将石墨初步润湿，再与粘合剂溶液混合。3)应适当降低搅拌浓度，提高分散性。4)分散过程为减少极性物与非极性物距离，提高势能或表面能，所以为吸热反应，搅拌时总体温度有所下降。如条件允许应该适当升高搅拌温度，使吸热变得容易，同时提高流动性，降低分散难度。5)搅拌过程如加入真空脱气过程，排除气体，促进固-液吸附，效果更佳。6)分散原理、分散方法同正极配料中的相关内容2.2.3稀释：将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。2.2.4物料球磨1)将负极和KetjenblackECP倒入料桶同时加入球磨（干料：磨球=1:1.2）在滚瓶及上进行球磨，转速控制在60rmp以上；2)4小时结束，过筛分离出球磨2.2.5操作步骤1)纯净水加热至至80C倒入动力混合机（2L）2)加CMC，搅拌602分钟；动力混合机参数设置：公转为252分钟，自转为152转/分；3)加入SBR和去离子水，搅拌602分钟；动力混合机参数设置：公转为302分钟，自转为202转/分；4)负极干料分四次平均顺序加入，加料的同时加入纯净水，每次间隔28-32分钟；动力混合机参数设置：公转为202转/分，自转为152转/分；5)第四次加料302分钟后进行高速搅拌，时间为48010分钟；动力混合机参数设置：公转为302转/分，自转为252转/分；6)真空混合：将动力混合机接上真空，保持真空度为-0.09到0.10Mpa，搅拌302分钟动力混合机参数设置：公转为102分钟，自转为82转/分；7)取500毫升浆料，使用黏度计测量黏度；测试条件：转子号5，转速30rpm，温度范围25C；8)将负极料从动力混合机中取出进行磨料、过筛，同时在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。2.2.6注意事项1)完成，清理机器设备及工作环境；2)操作机器时，需注意安全，避免砸伤头部。配料注意事项：防止混入其它杂质；防止浆料飞溅；浆料的浓度（固含量）应从高往低逐渐调整，以免增加麻烦；在搅拌的间歇过程中要注意刮边和刮底，确保分散均匀；浆料不宜长时间搁置，以免沉淀或均匀性降低；需烘烤的物料必须密封冷却之后方可以加入，以免组分材料性质变化；搅拌时间的长短以设备性能、材料加入量为主；搅拌桨的使用以浆料分散难度进行更换，无法更换的可将转速由慢到快进行调整，以免损伤设备；出料前对浆料进行过筛，一般100目-120目为佳。除去大颗粒以防涂布时造成断带；对配料人员要加强培训，确保其掌握专业知识，以免酿成大祸；配料的关键在于分散均匀，掌握该中心，其它方式可自行调整。三，电池制作所需参数1、极片尺寸：正极长度360mm0.5宽度41mm0.5，负极长度400mm0.5宽度42mm0.52、拉浆工艺a)集流体尺寸正极（铝箔），间歇涂布，负极（铜箔），间歇涂布b）拉浆重量要求3、正极拉浆后进行以下工序：裁大片 裁小片 称片（配片）烘烤 轧片极耳焊接负极拉浆后进行以下工序：裁大片 裁小片 称片（配片）烘烤 轧片极耳焊接.4、辊压极片要求5、制片方案6、极片烘烤7、极耳制作7、极耳制作7、极耳制作7、极耳制作a)正极：正极极耳在正极片处采用超声波焊接。铝条末端与极片边缘平齐。b)负极：镍条尺寸：0.103.048mm，镍条直接用点焊机点焊，要求点焊点数为8个点镍条右侧与负极片右侧对齐，镍条末端与极片边缘平齐。8隔膜尺寸：0.02544.07905mm9卷针宽度：22.650.05mm10压芯：电池卷绕后，先在电芯底部贴上24mm宽的透明胶纸，再用压平机冷压两次。备注：真空系统的真空度为-0.095-0.10Mpa；保护气为高纯氮气，气体气压大于0.5Mpa11电芯入壳前要求胶纸1：10.038.01.0mm，胶纸在电芯两侧分布均匀；胶纸2：10.038.01.0mm，镍条在胶纸中央；胶纸3：24.030.02.0mm，胶纸在电芯两侧分布均匀；镍条右侧距电芯右侧为7.01.0mm。12装壳装壳时应用双手同时用力，缓缓将电芯装入电池壳中，禁止划伤电芯。也可以采用机械装壳。13负极极耳焊接负极镍条与钢壳用点焊机进行焊接，要保证焊接强度，禁止虚焊炸火，要进行拉力测试。14激光焊接激光焊接时应仔细上夹具，电池壳与上盖配合良好后才能进行焊接，注意避免出现焊偏。15电池真空烘烤温度805时间16-22H，真空度0.095Mpa备注：(1)真空系统的真空度为-0.095-0.10MPa；(2)保护气为高纯氮气，气体压力0.5MPa；(3)每小时抽一次真空注一次氮气16注液量：2.90.1g注液房相对湿度：30%，温度：205封口胶布：6mm宽红色胶布，粘胶纸时注意擦净注液口处的电解液用2道橡皮筋将棉花固定在注液口处。17化成（1）开口化成工艺a)恒流充电：40mA4h；80mA6h,电压限制：4.00Vb)全检电压，电压3.90V的电池进行封口，电压3.90V的电池用60mA恒流至3.904.00V后封口，再打钢珠c)电池清洗，清洗剂为醋酸+酒精,也可以采用超声波清洗。（2）程序续化成a)恒流充电（400mA，4.20V，10min）b)休眠（2min）c)恒流充电（400mA，4.20V，100min）d)恒压充电（4.20V，20mA，150min）e)休眠（30min）f)恒流放电（750mA，2.75V，80min）g)休眠（30min）h)恒流充电（750mA，3.80V，90min）j)恒压充电（3.80V，20mA，150min）（3）检测分容按如下档次对电池进行分容：（1）恒流充电（750mA，3.80V，10min）（2）休眠（2min）（3）恒流充电（750mA，3.80V，30min）（4）恒压充电（3.80V，20mA，60min）18电池复检电池下柜分容后在室温下放置20天进行复检，步骤如下：a)用整形机对电池整形；b)全检电池厚度、电压、内阻，分类方法如下二、电池制作工艺流程1、（正、负极）干混湿混滚涂膏体在导电基体上3步干燥卷绕切边（切成一定宽度）辊压卷绕（备用）干混采用球磨,磨球是玻璃球或氧化锆陶瓷球；湿混采用。行星式拌粉机,其叶片分别装在2-3个轴上,混合效果更好。湿混中溶剂数量要恰当,形成合适的流变态,以获得平滑的涂层。滚涂电极膏体要保证一定的粘度,膏体涂于铝箔或铜箔的两面,而涂层的厚度取决于电池的型号。然后再相继通过3个加热区进行干燥,NMP（或水）从涂层中随热空气或干燥氮气流动而挥发,溶剂可以回收再利用。辊压是为了提高涂层的密度,并使电极厚度能符合电池装配的尺寸,辊压阶段的压力要适中,以免卷绕时粉料散落。2、电池的组装圆柱电池的装配工艺流程：绝缘底圈入筒卷绕电芯入筒插入芯轴焊负极集流片于钢筒插入绝缘圈钢筒滚线真空干燥注液组合帽（PTC元件等）焊到正极引极上封口X射线检查编号化成循环陈化。方形电池装配工艺流程：绝缘底入钢盒片状组合电芯入筒负极集流片焊于钢盒上密封垫圈正极集流片焊于杆引极组合盖（PTC元件等）焊到旋引极上组合盖定位激光焊接真空干燥注液密封X射线检查编号化成循环静置装配工艺说明：以圆柱形电池为例（方形电池基本过程相同）。卷绕芯入筒以前,将铝条（0.080.15厚、3宽）和镍条（0.040.10厚,3宽）分别用超声波焊接在正、负极导电基体的指定处作为集流引极。电池隔膜一般采用PE/PP2层或PP/PE/PP 3层组成,隔膜都是经过120热处理过的,以增加其阻止性和提高其安全性。正极、隔膜、负极3者叠合后卷绕入筒,由于采用涂膏电极,故必须让膏体材料与基体结合得好,以形成高密度电极,特别要防止掉粉,以免其穿透隔膜而引起电池内部短路。在卷绕电芯插入钢筒以前,放一个绝缘底入钢筒底部是为了防止电池内部短路这对于一般电池都是相同的。电解质一般采用LiPF6和非水有机溶剂,在真空注液以前,电池要真空干燥24/h,以除去电池组分中的水分和潮气,以免LiPF6与水反应形成HF而缩短寿命电池密封采用涂密封胶、插入垫圈、卷边加断面收缩过程,基本原理与碱性可充电池相同。封口以后,电池要用异丙醇和水的混合液除去油污物和溅出的电解液,然后再干燥。使用一种气味传感器或“嗅探器”元件检查电池漏液情况。整个电池装配完成以后,电池要用X射线鉴定电池内部结构是否正常,对于电芯不正、钢壳裂缝、焊点情况、有无短路等进行检查,排除有上述缺陷的电池,确保电池质量。最后一道工序是化成,电池第1次充电,阳极上形成保护膜,称为固体电解质中间相层(SEI),它能防止阳极与电解质反应,并是电池安全操作、高容量、长寿命的关键要素。电池经过几次充放电循环以后陈化23周,剔去微短路电池,再进行容量分选包装后即成为商品了。三、电池的性能1、电性能：（1）额定容量：0.5C放电，单体电池放电时间不低于2h，电池组放电时间不低于1h54min（95%）；（2）1C放电容量：1C放电，单体电池放电时间不低于57min（95%），电池组放电时间不低于54min（90%）；3）低温放电容量：-20C下0.5C放电，单体或电池组放电时间均不低于1h12min（60%）；4）高温放电容量：55C下0.5C放电，单体电池放电时间不低于1h54min（95%），电池组放电时间不低于1h48min（90%）；（5）荷电保持及恢复能力：满电常温下搁置28天，荷电保持放电时间不低于1h36min（80%），荷电恢复放电时间不低于1h48min（90%）；（6）储存性能：进行贮存试验的单体电池或电池组应选自生产日期不足3个月的，贮存前充5060的容量，在环境温度405C，相对湿度4575的环境贮存90天。贮存期满后取出电池组，用0.2C充满电搁置1h后，以0.5C恒流放电至终止电压,上述试验可重复测试3次，放电时间不低于1h12min（60%）；（7）循环寿命：电池或电池组采用0.2C充电，0.5C放电做循环，当连续两次放电容量低于72min（60%）时停止测试，单体电池循环寿命不低于600次，电池组循环寿命不低于500次；8）高温搁置寿命：应选自生产日期不足三个月的单体电池的进行高温搁置寿命试验，进行搁置前应充入50%5%的容量，然后在环境温度为552C的条下搁置7天。7天后将电池取出，在环境温度为205C下搁置25h。先以0.5C将电池放电至终止电压，0.5h后按0.2C进行充电，静置0.5h 后，再以0.5C恒流放电至终止电压，以此容量作为恢复容量。以上步骤为1周循环，直至某周放电时间低于72min（60%）,试验结束。搁置寿命不低于56天（8周循环）。2、安全性能1）持续充电：将单体电池以0.2ItA恒流充电，当单体电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电并保持28d，试验结束后，应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸（相当于满电浮充）。（2）过充电：将单体电池用恒流稳压源以3C恒流充电，电压达到10V后转为恒压充电，直到电池爆炸或起火或充电时间为90min或电池表面温度稳定（45min内温差2C）时停止充电，电池应不起火、不爆炸（3C10V）；将电池组用稳压源以0.5ItA恒流充电，电压达到n5V（n为串联单体电池数）后转为恒压充电，直到电池组爆炸或起火或充电时间为90min或电池组表面温度稳定（45min内温差2C）时停止充电，电池应不起火、不爆炸。3）强制放电（反向充电）：将单体电池先以0.2ItA恒流放电至终止电压，然后以1ItA电流对电池进行反向充电，要求充电时间不低于90min，电池应不起火、不爆炸；将电池组其中一只单体电池放电至终止电压，其余均为充满电态的电池，再以1ItA恒流放电至电池组的电压为0V时停止放电，电池应不起火、不爆炸（4）短路测试：将单体电池经外部短路90min，或电池表面温度稳定（45min内温差2C）时停止短路，外部线路电阻应小于50m，电池应不起火、不爆炸；将电池组的正负极用小于电阻0.1的铜导线连接直至电池组电压小于0.2V或电池组表面温度稳定（45min内温差2C），电池应不起火、不爆炸3、机械性能1）挤压：将单体电池放置在两个挤压平面中间，逐渐增加压力至13kN，圆柱形电池挤压方向垂直于圆柱轴的纵轴，方形电池挤压电池的宽面和窄面。每只电池只能接受一次挤压。试验结果应符合4.1.2.1的规定。在电池组上放一直径为15cm的钢棒对电池组的宽面和窄面挤压电池组，挤压至电池组原尺寸的85%，保持5min，每个电池组只接受一次挤压。（2）针刺：将单体电池放在一钢制的夹具中，用3mm8mm的钢钉从垂直于电池极板的方向贯穿（钢针停留在电池中），持续90min，或电池表面温度稳定（45min内温差2）时停止试验（3）重物冲击：将单体电池放置于一钢性平面上，用直径15.8mm的钢棒平放在电池中心，钢棒的纵轴平行于平面，让重量9.1kg的重物从610mm高度自由落到电池中心的钢棒上；单体电池是圆柱形时，撞击方向垂直于圆柱面的纵轴；单体电池是方形时，要撞击电池的宽面和窄面，每只电池只能接受一次撞击。（4）机械冲击；将电池或电池组采用刚性固定的方法（该方法能支撑电池或电池组的所有固定表面）将电池或电池组固定在试验设备上。在三个互相垂直的方向上各承受一次等值的冲击。至少要保证一个方向与电池或电池组的宽面垂直，每次冲击按下述方法进行：在最初的3ms内，最小平均加速度为735m/s2，峰值加速度应该在1225 m/s2和1715 m/s2之间。5）振动：将电池或电池组直接安装或通过夹具安装在振动台面上进行振动试验。试验条件为频率10Hz55Hz，加速度29.4 m/s2，XYZ每个方向扫频循环次数为10次，扫频速率为1oct/min。6）自由跌落：将单体电池或电池组由高度（最低点高度）为600mm的位置自由跌落到水泥地面上的20mm厚的硬木板上，从XYZ三个方向各一次。自由跌落结束后。4、环境适应性（1）高温烘烤：将单体电池放入高温防爆箱中，以（52C）/min升温速率升温至130，在该温度下保温10min。（2）高温储存：将单体电池或电池组放置在752C的烘箱中搁置48h，电池应，应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。3）低气压：（UL标准）。37 以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！