锂离子电池原理及工艺流程---培训内容

1锂离子电池原理及工艺流程一、原理1.0正极构造LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）正极2.0负极构造石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+集流体（铜箔）负极3.0工作原理3.1充电过程如上图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。正极上发生的反应为LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)负极上发生的反应为6C+XLi++Xe=====LixC63.2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。二、工艺流程三、电池不良项目及成因：1.容量低产生原因：a.附料量偏少；b.极片两面附料量相差较大；c.极片断裂；d.电解液少；e.电解液电导率低；f.正极与负极配片未配好；g.隔膜孔隙率小；h.胶粘剂老化→附料脱落；i.卷芯超厚（未烘干或电解液未渗透）j.分容时未充满电；k.正负极材料比容量小。2.内阻高产生原因：a.负极片与极耳虚焊；b.正极片与极耳虚焊；c.正极耳与盖帽虚焊；d.负极耳与壳虚焊;e.铆钉与压板接触内阻大；f.正极未加导电剂；g.电解液没有锂盐；h.电池曾经发生短路；i.隔膜纸孔隙率小。3.电压低产生原因：a.副反应（电解液分解；正极有杂质；有水）；b.未化成好（SEI膜未形成安全）；2c.客户的线路板漏电（指客户加工后送回的电芯）；d.客户未按要求点焊（客户加工后的电芯）；e.毛刺；f.微短路；g.负极产生枝晶。4.超厚产生超厚的原因有以下几点:a.焊缝漏气;b.电解液分解;c.未烘干水分;d.盖帽密封性差;e.壳壁太厚;f.壳太厚;g.卷芯太厚(附料太多；极片未压实；隔膜太厚)。5.容量偏低原因有以下几点a.未化成好（SEI膜不完整、致密）；b.烘烤温度过高→粘合剂老化→脱料；c.负极比容量低；d.正极附料多而负极附料少；e.盖帽漏气焊缝漏气；f.电解液分解，电导率降低。6.爆炸a.分容柜有故障（造成过充）；b.隔膜闭合效应差;c.内部短路7.短路a.料尘；b.装壳时装破；c.尺刮（小隔膜纸太小或未垫好）;d.卷绕不齐；e.没包好；f.隔膜有洞;g.毛刺8.断路a)极耳与铆钉未焊好，或者有效焊点面积小；b)连接片断裂（连接片太短或与极片点焊时焊得太靠下）配料基础知识一、电极的组成：1、正极组成：a、钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池提高锂源。b、导电剂：提高正极片的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性。提高正极片的电解液的吸液量，增加反应界面，减少极化。c、PVDF粘合剂：将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。d、正极引线：由铝箔或铝带制成（极耳）。2、负极组成：a、石墨：负极活性物质，构成负极反应的主要物质；主要分为天然石墨和人造石墨两大类。b、导电剂：提高负极片的导电性，补偿负极活性物质的电子导电性。提高反应深度及利用率，防止枝晶的产生。利用导电材料的吸液能力，提高反应界面，减少极化。（可根据石墨粒度分布选择加或不加）。c、添加剂：降低不可逆反应，提高粘附力，提高浆料黏度，防止浆料沉淀。d、水性粘合剂：将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。e、负极引线：由铜箔或镍带制成。二、配料目的：配料过程实际上是将浆料中的各种组成按标准比例混合在一起，调制成浆料，以利于均匀涂布，保证极片的一致性。配料大致包括五个过程，即：原料的预处理、掺和、浸湿、分散和絮凝。3三、配料原理：（一）、正极配料原理1、原料的理化性能。（1）钴酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为6-8μm，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5-7μm，含水量≤0.2%，通常为弱碱性，PH值为8左右。（2）导电剂：非极性物质，葡萄链状物，含水量3-6%，吸油值~300，粒径一般为2-5μm；主要有普通碳黑、超导碳黑、石墨乳等，在大批量应用时一般选择超导碳黑和石墨乳复配；通常为中性。（3）PVDF粘合剂：非极性物质，链状物，分子量从300，000到3，000，000不等；吸水后分子量下降，粘性变差。（4）NMP：弱极性液体，用来溶解/溶胀PVDF，同时用来稀释浆料。2、原料的预处理（1）钴酸锂：脱水。一般用120oC常压烘烤2小时左右。（2）导电剂：脱水。一般用200oC常压烘烤2小时左右。（3）粘合剂：脱水。一般用120-140oC常压烘烤2小时左右，烘烤温度视分子量的大小决定。（4）NMP：脱水。使用干燥分子筛脱水或采用特殊取料设施，直接使用。3、原料的掺和：（1）粘合剂的溶解（按标准浓度）及热处理。（2）钴酸锂和导电剂球磨：使粉料初步混合，钴酸锂和导电剂粘合在一起，提高团聚作用和的导电性。配成浆料后不会单独分布于粘合剂中，球磨时间一般为2小时左右；为避免混入杂质，通常使用玛瑙球作为球磨介子。4、干粉的分散、浸湿：（1）原理：固体粉末放置在空气中，随着时间的推移，将会吸附部分空气在固体的表面上，液体粘合剂加入后，液体与气体开始争夺固体表面；如果固体与气体吸附力比与液体的吸附力强，液体不能浸湿固体；如果固体与液体吸附力比与气体的吸附力强，液体可以浸湿固体，将气体挤出。当润湿角≤90度，固体浸湿。当润湿角＞90度，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。（2）分散方法对分散的影响：A、静置法（时间长，效果差，但不损伤材料的原有结构）；B、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）。5、稀释。将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。具体影响有以下几种：1、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。2、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。3、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4料沉淀的加重。4、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。5、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。6、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。（二）负极配料原理（大致与正极配料原理相同）1、原料的理化性能。（1）石墨：非极性物质，易被非极性物质污染，易在非极性物质中分散；不易吸水，也不易在水中分散。被污染的石墨，在水中分散后，容易重新团聚。一般粒径D50为20μm左右。颗粒形状多样且多不规则，主要有球形、片状、纤维状等。（2）水性粘合剂（SBR）：小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。（3）防沉淀剂（CMC）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。（4）异丙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂网状交链，提高粘结强度。乙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂线性交链，提高粘结强度（异丙醇和乙醇的作用从本质上讲是一样的，大批量生产时可考虑成本因素然后选择添加哪种）。（5）去离子水（或蒸馏水）：稀释剂，酌量添加，改变浆料的流动性。2、原料的预处理：（1）石墨：A、混合，使原料均匀化，提高一致性。B、300~400℃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。3、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，在三、（一）、4中有详细论述，在此不予详细解释。4、稀释。将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。四、配料注意事项：1、防止混入其它杂质；2、防止浆料飞溅；3、浆料的浓度（固含量）应从高往低逐渐调整，以免增加麻烦；4、在搅拌的间歇过程中要注意刮边和刮底，确保分散均匀；55、浆料不宜长时间搁置，以免沉淀或均匀性降低；6、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；7、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；8、出料前对浆料进行过筛，除去大颗粒以防涂布时造成断带；9、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；10、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。五、总论：随着电池制程的日益透明，锂离子电池生产厂家越来越将配料列为核心机密，因为从材料的挑选、处理到合理搭配包含了太多技术人员的心血，同样的材料，有的厂家用起来特别顺利，有的厂家就麻烦百出；有的厂家用中档的材料可以做出高端的电池，而有的厂家却使用最好的材料做成的电池惨不忍睹；本人在此发表配料的基础知识，旨在让大家对配料的了解多一些，少走一些弯路；但因本人水平有限，难免有疏漏之处，希望大家多多批评指正。我也期望大家在工作中认真研究，真诚交流，大胆创新，团结起来，共同促进中国锂离子电池生产水平的提高。四、各工序控制重点(一)配料：1.溶液配制：a)PVDF(或CMC)与溶剂NMP（或去离子水）的混合比例和称量；b)溶液的搅拌时间、搅拌频率和次数（及溶液表面温度）；c)溶液配制完成后,对溶液的检验:粘度(测试)\溶解程度(目测)及搁置时间;d)负极:SBR+CMC溶液,搅拌时间和频率。2.活性物质:a)称量和混合时监控混合比例、数量是否正确；b)球磨：正负极的球磨时间；球磨桶内玛瑙珠与混料的比例；玛瑙球中大球与小球的比例；c)烘烤：烘烤温度、时间的设置；烘烤完成后冷却后测试温度。d)活性物质与溶液的混合搅拌：搅拌方式、搅拌时间和频率。e)过筛：过100目（或150目）分子筛。f)测试、检验：对浆料、混料进行以下测试：固含量、粘度、混料细度、振实密度、浆料密度。（二）涂布1.集流体的首检:a)集流体规格(长宽厚)的确认;b)集流体标准(实际)重量的确认;c)集流体的亲(疏)水性及外观(有无碰伤、划痕和破损)。2.敷料量（标准值、上、下限值）的计算：a)单面敷料量（以接近此标准的极片厚度确定单面厚度）；b)双面敷料量（以最接近此标准的极片厚度确定双面的极片厚度。）3.浆料的确认:是否过稠(稀)\流动性好,是否有颗粒,气泡过多,是否已干结.4.极片效果:a)比重(片厚)的确认;b)外观:有无划痕、断痕、结料（滚轮或极片背面）是否积料过厚，是否有未干透或烤焦，有无露铜或异物颗粒；5.裁片：规格确认有无毛刺，外观检验。（三）制片（前段）：61.压片：a)确认型号和该型号正、负极片的标准厚度；b)最高档次极片压片后（NO.1或NO.1及NO.2）的厚度、外观有无变形、起