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： 负极反应：CxLixe-LixC

正极反应：Li(Ni,Mn,Co)O2Li1-xNi,Mn,CoO2xLixe- 电池总反应：CLi(Ni,Mn,Co)O2CLixCLi1-x(Ni,Mn,Co)O2

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 存在的问题

（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 活性物质

正极材料

负极材料 石墨

SUPER-P/SP

CMC

去离子水（H2O） 铜箔

镍带和黄色高温胶带 三元材料（LiNi1-x-yCoxMnyO2）、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等

导电极 SUPER-P/KS-6/KS-15等 粘结剂 PVDF（HSV900） 溶剂 NMP（N-甲基吡咯烷酮） 集流体/载体 铝箔

极耳和高温胶铝带、铝转镍和一种绿色的胶带

带 电解液：一般有LiPF6、LiBF4等复合盐，有机溶剂为丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、二甲基碳酸酯等。

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C1，放电至3V时容量记为C0，C1/C0成为该电池的放电平台

4 影响锂离子电池安全性的内部因素

4.1 材料组成

1) 2) 3) 4)

正极材料的热稳定性及其与电解液反应活性 负极材料的稳定性及配比 电解液的组成 隔膜的选择

4.2 电池结构

电池结构设计的合理性

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，LiCoO2在大于4.2V时结构不稳定并放出氧气，同时电解液在大于4.2V时分解与LiCoO2反应产生大量热，导致电芯内压急剧升高发生爆炸。

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烤。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 三元（镍钴锰酸锂） 锰酸锂 HSV900 NMP SURPER-P（一种石墨） KS-15（一种石墨） 成分 石墨K30 CMC SBR S-P H2O 型号 PLB-H5 WJ-2100 PVDF NMP SP KS-6 理论重量/g 比例 烘烤温度 44625 19125 1342.11 34569.4 1006.6 1006.6 备注 主料 粘结剂 增稠剂，浓度50% 导电剂 溶剂 120℃ 120℃ 80℃ 120℃ 120℃ 备注 主料0.7 主料0.3 粘结剂 溶剂 导电剂 导电剂 表4 负极材料配料单实例 理论重量/g 比例 29615 403.1 1364.5 301.1 40424.7

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要求，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

涂布宽度 单面密度 双面密度 正极 580±10 198±3g/m2 396±5 g/m2 负极 595（0,+4） 86±2g/m2 172±g/m2 箔材（集流体） 铝箔600*0.020 铜箔600*0.012

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。