鋰離子電池工藝流程

今天在蓋世汽車網(wǎng)舉辦的論壇上，聽交大的殷教授（他是我以前同事的博士生導(dǎo)師）談起了不少趣聞，特別是關(guān)于鋰電池生產(chǎn)廠商的已經(jīng)在國內(nèi)到達(dá)100家以上了，但是工藝是個(gè)很大的悲劇。在此收集和整理一些關(guān)于鋰電池工藝的資料，需要和專業(yè)同事確認(rèn)后才能就不同的電池進(jìn)行正確的區(qū)別，這里首先整理個(gè)概念。

某個(gè)廠家的工藝時(shí)間圖為：

另外一個(gè)直觀的圖為：

鋰離子電池工藝流程

一、正極混料

l 原料的摻和：

（1） 粘合劑的溶解（按標(biāo)準(zhǔn)濃度）及熱處理。

（2） 鈷酸鋰和導(dǎo)電劑球磨：使粉料初步混合，鈷酸鋰和導(dǎo)電劑粘合在一起，提高團(tuán)聚作用和的導(dǎo)電性。配成漿料后不會(huì)單獨(dú)分布于粘合劑中，球磨時(shí)間一般為2小時(shí)左右；為避免混入雜質(zhì)，通常使用瑪瑙球作為球磨介子。

l 干粉的分散、浸濕：

（1） 原理：固體粉末放置在空氣中，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)吸附部分空氣在固體的表面上，液體粘合劑加入后，液體與氣體開始爭奪固體表面；如果固體與氣體吸附力比與液體的吸附力強(qiáng)，液體不能浸濕固體；如果固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強(qiáng)，液體可以浸濕固體，將氣體擠出。

當(dāng)潤濕角≤90度，固體浸濕。

當(dāng)潤濕角＞90度，固體不浸濕。

正極材料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕，所以正極粉料分散相對(duì)容易。

（2） 分散方法對(duì)分散的影響：

A、 靜置法（時(shí)間長，效果差，但不損傷材料的原有結(jié)構(gòu)）；

B、 攪拌法；自轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)（時(shí)間短，效果佳，但有可能損傷個(gè)別

材料的自身結(jié)構(gòu)）。

1、攪拌槳對(duì)分散速度的影響。攪拌槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型攪拌槳用來對(duì)付分散難度大的材料或配料的初始階段；球形、齒輪形用于分散難度較低的狀態(tài)，效果佳。

2、攪拌速度對(duì)分散速度的影響。一般說來攪拌速度越高，分散速度越快，但對(duì)材料自身結(jié)構(gòu)和對(duì)設(shè)備的損傷就越大。

3、濃度對(duì)分散速度的影響。通常情況下漿料濃度越小，分散速度越快，但太稀將導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和漿料沉淀的加重。

4、濃度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。濃度越大，柔制強(qiáng)度越大，粘接強(qiáng)度

越大；濃度越低，粘接強(qiáng)度越小。

5、真空度對(duì)分散速度的影響。高真空度有利于材料縫隙和表面的氣體排出，降低液體吸附難度；材料在完全失重或重力減小的情況下分散均勻的難度將大大降低。

6、溫度對(duì)分散速度的影響。適宜的溫度下，漿料流動(dòng)性好、易分散。太熱漿料容易結(jié)皮，太冷漿料的流動(dòng)性將大打折扣。

l 稀釋。將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。

1.1原料的預(yù)處理

（1） 鈷酸鋰：脫水。一般用120 oC常壓烘烤2小時(shí)左右。

（2） 導(dǎo)電劑：脫水。一般用200 oC常壓烘烤2小時(shí)左右。

（3） 粘合劑：脫水。一般用120-140 oC常壓烘烤2小時(shí)左右，烘烤溫度視分子量的大小決定。

（4） NMP：脫水。使用干燥分子篩脫水或采用特殊取料設(shè)施，直接使用。2.1.2物料球磨

a）將LiCoO2 Super-P倒入料桶，同時(shí)加入磨球（干料：磨球=1:1），在滾瓶及上進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速控制在60rmp以上；

b）4小時(shí)結(jié)束，過篩分離出球磨；

1.3操作步驟

a） 將NMP倒入動(dòng)力混合機(jī)（100L）至80℃，稱取PVDF加入其中，開機(jī)；

參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)速25±2轉(zhuǎn)/分，攪拌115-125分鐘；

b） 接通冷卻系統(tǒng)，將已經(jīng)磨號(hào)的正極干料平均分四次加入，每次間隔28-32分鐘，第三次加料視材料需要添加NMP，第四次加料后加入NMP；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)速為20±2轉(zhuǎn)/分

c） 第四次加料30±2分鐘后進(jìn)行高速攪拌，時(shí)間為480±10分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為25±2轉(zhuǎn)/分；

a） 真空混合：將動(dòng)力混合機(jī)接上真空，保持真空度為-0.09Mpa，攪拌30±2分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為10±2分鐘，自轉(zhuǎn)為8±2轉(zhuǎn)/分

b） 取250-300毫升漿料，使用黏度計(jì)測(cè)量黏度；

測(cè)試條件：轉(zhuǎn)子號(hào)5，轉(zhuǎn)速12或30rpm，溫度范圍25℃；

c） 將正極料從動(dòng)力混合機(jī)中取出進(jìn)行膠體磨、過篩，同時(shí)在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識(shí)，與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

1.4注意事項(xiàng)

a） 完成，清理機(jī)器設(shè)備及工作環(huán)境；

b） 操作機(jī)器時(shí)，需注意安全，避免砸傷頭部。

2負(fù)極混料

2.1原料的預(yù)處理：

（1） 石墨：A、混合，使原料均勻化，提高一致性。B、300~400℃常壓烘烤，除去表面油性物質(zhì)，提高與水性粘合劑的相容能力，修圓石墨表面棱角（有些材料為保持表面特性，不允許烘烤，否則效能降低）。

（2） 水性粘合劑：適當(dāng)稀釋，提高分散能力。

★ 摻和、浸濕和分散：

（1） 石墨與粘合劑溶液極性不同，不易分散。

（2） 可先用醇水溶液將石墨初步潤濕，再與粘合劑溶液混合。

（3） 應(yīng)適當(dāng)降低攪拌濃度，提高分散性。

（4） 分散過程為減少極性物與非極性物距離，提高勢(shì)能或表面能，所以為吸熱反應(yīng)，攪拌時(shí)總體溫度有所下降。如條件允許應(yīng)該適當(dāng)升高攪拌溫度，使吸熱變得容易，同時(shí)提高流動(dòng)性，降低分散難度。

（5） 攪拌過程如加入真空脫氣過程，排除氣體，促進(jìn)固-液吸附，效果更佳。

（6） 分散原理、分散方法同正極配料中的相關(guān)內(nèi)容

★ 稀釋：將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。

2.2物料球磨

a）將負(fù)極和Super-P倒入料桶同時(shí)加入球磨（干料：磨球=1:1.2）在滾瓶及上進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速控制在60rmp以上；

b）4小時(shí)結(jié)束，過篩分離出球磨；

2.3操作步驟

a） 純凈水加熱至至80℃倒入動(dòng)力混合機(jī)（2L）

b）加CMC，攪拌60±2分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為25±2分鐘，自轉(zhuǎn)為15±2轉(zhuǎn)/分；

c） 加入SBR和去離子水，攪拌60±2分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2分鐘，自轉(zhuǎn)為20±2轉(zhuǎn)/分；

d） 負(fù)極干料分四次平均順序加入，加料的同時(shí)加入純凈水，每次間隔28-32分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為20±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為15±2轉(zhuǎn)/分；

e） 第四次加料30±2分鐘后進(jìn)行高速攪拌，時(shí)間為480±10分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為25±2轉(zhuǎn)/分；

f） 真空混合：將動(dòng)力混合機(jī)接上真空，保持真空度為-0.09到0.10Mpa，攪拌30±2分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為10±2分鐘，自轉(zhuǎn)為8±2轉(zhuǎn)/分

g） 取500毫升漿料，使用黏度計(jì)測(cè)量黏度；

測(cè)試條件：轉(zhuǎn)子號(hào)5，轉(zhuǎn)速30rpm，溫度范圍25℃；

h） 將負(fù)極料從動(dòng)力混合機(jī)中取出進(jìn)行磨料、過篩，同時(shí)在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識(shí)，與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

2.4注意事項(xiàng)

a） 完成，清理機(jī)器設(shè)備及工作環(huán)境；

b） 操作機(jī)器時(shí)，需注意安全，避免砸傷頭部。

配料注意事項(xiàng)：

1、 防止混入其它雜質(zhì)；

2、 防止?jié){料飛濺；

3、 漿料的濃度（固含量）應(yīng)從高往低逐漸調(diào)整，以免增加麻煩；

4、 在攪拌的間歇過程中要注意刮邊和刮底，確保分散均勻；

5、 漿料不宜長時(shí)間擱置，以免沉淀或均勻性降低；

6、 需烘烤的物料必須密封冷卻之后方可以加入，以免組分材料性質(zhì)變化；

7、 攪拌時(shí)間的長短以設(shè)備性能、材料加入量為主；攪拌槳的使用以漿料分散難度進(jìn)行更換，無法更換的可將轉(zhuǎn)速由慢到快進(jìn)行調(diào)整，以免損傷設(shè)備；

8、 出料前對(duì)漿料進(jìn)行過篩，除去大顆粒以防涂布時(shí)造成斷帶；

9、 對(duì)配料人員要加強(qiáng)培訓(xùn)，確保其掌握專業(yè)知識(shí)，以免釀成大禍；

10、 配料的關(guān)鍵在于分散均勻，掌握該中心，其它方式可自行調(diào)整。

3.電池的制作

3.1 極?

尺寸

3.2 拉漿工藝

a） 集流體尺寸

正極（鋁箔），間歇涂布

負(fù)極（銅箔），間歇涂布

b） 拉漿重量要求

電極 第一面雙面 重量（g） 面密度（mg/cm2） 重量（g） 面密度（mg/cm2）

…

3.3 裁片

a） 正極拉漿后進(jìn)行以下工序：

裁大片 裁小片 稱片（配片） 烘烤 軋片 極耳焊接

b） 負(fù)極拉漿后進(jìn)行以下工序：

裁大片 裁小片 稱片（配片） 烘烤 軋片 極耳焊接

3.4軋片要求

電極

壓片后厚度（mm）

壓片后長度（mm）

正極

0.125-0.145

362-365

負(fù)極

0.125-0.145

400-403

3.5配片方案

序號(hào)

正極重量（克）

負(fù)極重量（克）

備注

1

5.49-6.01

2.83-2.86

正極可以和重1-2個(gè)檔次的負(fù)極進(jìn)行配片

2

6.02-6.09

2.87-2.90

3

6.10-6.17

2.91-2.94

4

6.18-6.25

2.95-2.98

5

6.26-6.33

2.99-3.01

6

6.34-6.41

3.02-3.05

3.6極片烘烤

電極

溫度

時(shí)間（小時(shí)）

真空度

正極

120±5

6-10

Q-0.09Mpa

負(fù)極

110±5

6-10

Q-0.09Mpa

備注：真空系統(tǒng)的真空度為-0.095-0.10Mpa

保護(hù)氣為高純氮?dú)?，氣體氣壓大于0.5Mpa

3.7極耳制作

正極極耳 上蓋組合 超聲波焊接

鋁條邊緣與極片邊緣平齊

負(fù)極 鎳條直接用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊，要求點(diǎn)焊數(shù)為8個(gè)點(diǎn)

鎳條右側(cè)與負(fù)極片右側(cè)對(duì)齊，鎳條末端與極片邊緣平齊

3.8隔膜尺寸

3.9卷針寬度

3.10壓芯

電池卷繞后，先在電芯底部貼上24mm的通明膠帶，再用壓平機(jī)冷壓2次；

3.11電芯入殼前要求

膠紙 鎳條。。。。

3.12裝殼

3.13負(fù)極極耳焊接

負(fù)極鎳條與鋼殼用點(diǎn)焊機(jī)焊接，要保證焊接強(qiáng)度，禁止虛焊

3.14激光焊接

仔細(xì)上號(hào)夾具，電池殼與上蓋配合良好后才能進(jìn)行焊接，注意避免出現(xiàn)焊偏

3.15電池真空烘烤

溫度

時(shí)間

真空度

80±5℃

16-22小時(shí)

Q-0.05Mpa

備注：

a） 真空系統(tǒng)的真空度為-0.095~0.10Mpa

b） 保護(hù)氣為高純氮?dú)?，氣體氣壓大于0.5Mpa

c） 每小時(shí)抽一次真空注一次氮?dú)猓?/p>

3.16 注液量：2.9±0.1g

注液房相對(duì)濕度：小于30%

溫度：20±5℃

封口膠布：寬紅色膠布。粘膠布時(shí)注意擦凈注液口的電解液

用2道橡皮筋將棉花固定在注液口處

3.17 化成制度

3.17.1開口化成工藝

a）恒流充電：40mA*4h 80mA*6h

電壓限制：4.00V

b）全檢電壓，電壓大于3.90V的電池進(jìn)行封口，電壓小于3.90V的電池接著用60mA恒流至3.90-4.00后封口，再打鋼珠；

c） 電池清洗，清洗劑為醋酸+酒精

3.17.2續(xù)化成制度

a） 恒流充電（400mA，4.20V，10min）

b） 休眠（2min）

c） 恒流充電（400mA，4.20V，100min）

d） 恒壓充電（4.20V，20mA，150min）

e） 休眠（30min）

f） 恒流放電（750mA，2.75V，80min）

g） 休眠（30min）

h） 恒流充電（750mA，3.80V，90min）

i） 恒壓充電（3.80V，20mA，150min）

當(dāng)從LiCoO2拿走XLi后，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于X的大小。通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)X》0.5時(shí)Li1-XCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結(jié)。所以電芯在使用過程中應(yīng)通過限制充電電壓來控制Li1-XCoO2中的X值，一般充電電壓不大于4.2V那么X小于0.5 ，這時(shí)Li1-XCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。負(fù)極C6其本身有自己的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝淮位珊螅龢OLiCoO2中的Li被充到負(fù)極C6中，當(dāng)放電時(shí)Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負(fù)極C6中，心以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負(fù)極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實(shí)現(xiàn)：安全充電上限電壓≤4 .2V，放電下限電壓≥2.5V。