软包锂离子电池制作工艺流程详解

软包锂离子电池制作工艺流程详解2018-04-27电动知家1、软包电芯所谓的软包电芯，其实就是使用了铝塑包装膜作为包装材料的电芯。相对来说，锂离子电池的包装分为两大类，一类是软包电芯，一类是金属外壳电芯。金属外壳电芯又包括了钢壳与铝壳等等，近年来由于特殊需要有的电芯采用塑料外壳的，也可以划为此类。二者的差别出了外壳材料不同，决定了其封装方式也不同。软包电芯采用的是热封装，而金属外壳电芯一般采用焊接（激光焊）。软包电芯可以采用热封装的原因是其使用了铝塑包装膜这种材料。2、铝塑包装膜铝塑包装膜（简称铝塑膜）的构成见图，其截面上来看有三层构成：尼龙层、Al层与PP层。三层各有各的作用，首先尼龙层是保证了铝塑膜的外形，保证在制造成锂离子电池之前，膜不会发生变形。Al层就是一层金属Al构成，其作用是防止水的渗入。锂离子电池很怕水，一般要求极片含水量都在PPM级，所以包装膜一定能够挡住水气的渗入。尼龙不防水，无法起到保护作用。而金属Al在室温下会与空气中的氧反应生成一层致密的氧化膜，导致水气无法渗入，保护了电芯的内部。Al层在铝塑膜成型的时候还提供了冲坑的塑性，这个详见第3点。PP是聚丙烯的缩写，这种材料的特性是在一百多摄氏度的温度下会发生熔化，并且具有黏性。所以电池的热封装主要靠的就是PP层在封头加热的作用下熔化黏合在一起，然后封头撤去，降温就固化黏结了。铝塑膜看上去很简单，实际做起来，如何把三层材料均匀地、牢固地结合在一起也不是那么容易的事。很遗憾的是，现在质量好的铝塑膜基本上都是日本进口的，国产的不是没有，但质量还有待改进。3、铝塑膜成型工序软包电芯可以根据客户的需求设计成不同的尺寸，当外形尺寸设计好后，就需要开具相应的模具，使铝塑膜成型。成型工序也叫作冲坑（其实个人觉得应该是“铳坑”，但大家都这么写就随俗吧），顾名思义，就是用成型模具在加热的情况下，在铝塑膜上冲出一个能够装卷芯的坑，具体的见下图铝塑膜冲好并裁剪成型后，一般称为Pocket袋，见下图所示。一般在电芯较薄的时候选择冲单坑（下图左），在电芯较厚的时候选择冲双坑（下图右），因为一边的变形量太大会突破铝塑膜的变形极限而导致破裂。有时候根据设计的需要，会在气袋的位置再冲一个小坑，以扩大气袋的体积。4、顶侧封工序讲到正题了，顶侧封工序是软包锂离子电芯的第一道封装工序。顶侧封实际包含了两个工序，顶封与侧封。首先要把卷绕好的卷芯放到冲好的坑里，然后沿虚线位置将包装膜对折，如下图所示。下面这种图是铝塑膜装入卷芯后，需要封装的几个位置，包括顶封区、侧封区、一封区与二封区。下面分别进行介绍。把卷芯放到坑中之后，就把整个铝塑膜可以放到夹具中，在顶侧封机里进行顶封与侧封了。顶侧封机是这样子的：图中这种型号的顶侧封机带四个夹具，左边那个工位是顶封，右边那个工位是侧封。那两块黄色的金属是上封头，下面还有一个下封头，封装的时候两个封头带有一定的温度（一般在180℃左右），合拢时压在铝塑膜上，铝塑膜的PP层就熔化然后黏结在一起了，这样就封装OK了。侧封没有什么太多好说的（边电压神马的扯得太远就不讲了），主要来说说顶封，顶封区域的示意图如下图所示。顶封是要封住极耳的，极耳是金属（正极铝，负极镍），怎么跟PP封装到一起呢？这就要靠极耳上的一个小部件—极耳胶来完成了。极耳胶具体的结构我不是很清楚，希望有懂行的人来补充。我只知道它也有PP的成本，也就是说在加热时能够熔化黏结。在极耳位的封装见下图中圆圈部分所示。封装时，极耳胶中的PP与铝塑膜的PP层熔化黏结，形成了有效的封装结构。5、注液、预封工序软包电芯在顶侧封之后，需要做X-ray检查其卷芯的平行度，然后就进干燥房除水气去了。在干燥房静置若干时间时候，就进入了注液与预封工序。通过上面的介绍我们知道，电芯在顶侧封完成之后，就只剩下气袋那边的一个开口，这个开口就是用来注液的。在注液完成之后，需要马上进行气袋边的预封，也叫作一封。一封封装完成后，电芯从理论上来说，内部就是完全与外部环境隔绝了。一封的封装原理与顶侧封相同，这里就不赘述了。6、静置、化成、夹具整形工序在注液与一封完成后，首先需要将电芯进行静置，根据工艺的不同会分为高温静置与常温静置，静置的目的是让注入的电解液充分浸润极片。然后电芯就可以拿去做化成了。上图是软包电芯的化成柜，其实就是一个充放电的装置，我找了好久没有找到带电芯的图片，大家想想一下电芯夹在上面的画面就OK了。化成就是对电芯的首次充电，但不会充到使用的最高电压，充电的电流也非常小。化成的目的是让电极表面形成稳定的SEI膜，也就是相当于一个把电芯“激活”的过程。在这个过程中，会产生一定量的气体，这也就是为什么铝塑膜要预留一个气袋。有些工厂的工艺会使用夹具化成，即把电芯夹在夹具里（有时候图简便就用玻璃板，然后上钢夹子）再上柜化成，这样产生的气体会被充分地挤到旁边的气袋中去，同时化成后的电极界面也更佳。在化成后有些电芯，尤其是厚电芯，由于内部应力较大，可能会产生一定的变形。所以某些工厂会在化成后设置一个夹具整形的工序，也叫作夹具baking（烘烤）。这三道工序与封装无关，就简单介绍到这里吧。7、二封工序刚才说了化成过程中会产生气体，所以我们要将气体抽出然后再进行第二次封装。在这里有些公司成为两个工序：Degassing（排气）与二封，还有后面一个剪气袋的工序，这里我就一起笼统的都称为二封了。二封时，首先由铡刀将气袋刺破，同时抽真空，这样气袋中的气体与一小部分电解液就会被抽出。然后马上二封封头在二封区进行封装，保证电芯的气密性。最后把封装完的电芯剪去气袋，一个软包电芯就基本成型了。二封是锂离子电池的最后一个封装工序，其原理还是跟前面的热封装一样，不再赘述。8、后续工序二封剪完气袋之后需要进行裁边与折边，就是将一封边与二封边裁到合适的宽度，然后折叠起来，保证电芯的宽度不超标。折边后的电芯就可以上分容柜进行分容了，其实就是容量测试，看电芯的容量有没有达到规定的最小值。从原则上来说，所有的电芯出厂之前都需要做分容测试，保证容量不合格的电芯不会送到客户手中。但在电芯生产量大的时候，某些公司会做部分分容，以统计概率来判断该批次电芯容量的合格率。分容后，容量合格的电芯就会进入后工序，包括检查外观、贴黄胶、边电压检测、极耳转接焊等等，可以根据客户的需求来增减若干工序。最后就是OQC检查，然后包装出货了。注意，到这里都还只是电芯。电芯会送到Pack厂进行进一步的加工，包括焊接电路板，包装等等。Pack厂的下游是各个使用厂家，比如苹果、联想、华为这种的，他们会把电池Pack拿去装到终端里，然后才来到我们消费者手中。电动知家，一个有价值的微信公众号！更多新能源电动汽车、无人驾驶最新行业资讯和专业知识，请关注“电动知家”微信公众号（微信号ev_home）。