锂电池排列方法磷酸铁锂基锂电池流程|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

磷酸铁锂基锂电池流程

1：石墨的特性（锂电池中的碳基负极材料）

（1）：本身具有较好的稳定性，理论容量高，嵌锂可逆性好；

（2）：石墨晶体由大量的碳原子按照六边形相连形成网层状结构。根据堆垛方式，有六方石墨（2H）和菱形石墨（3R）两种类型。六方石墨是按ABAB方式堆垛，属于P63/mmc空间群；菱形石墨是按ABCABCA方式堆垛的，属于R3m空间群；

（3）：在同一层中，碳原子之间是（谁个吗）键相互结合的，键之间的长度为0.124nm，相对C-C单键的键长0.154较小。

（4）锂离子在石墨中的嵌入机理是：

a）锂离子在石墨中首先生成LiC72，然后依次生成LiC36、LiC27、LiC18，最终产生LiC6。

b）石墨的层间化合物C/Li的物质的量的比最多达到6。这是因为嵌入石墨层间的锂离子相互之间具有排斥作用，造成锂离子都是排列在相间的位置。

c）最大理论容量是372。随着反应的进行，相应的，石墨材料层间距会由原来的0.335nm变为嵌锂离子后的0.37nm；

d）多数石墨材料的锂离子逆嵌入量X（LixC6）不大于1。石墨材料可逆比容量低于372，主要是由于石墨层间堆积缺陷的存在，造成了锂离子无法嵌入，嵌入量相应减少。

e）实际操作中，石墨负极具有明显的充放电平台，并且平台电位低（0.01-0.2V，对于Li/Li +），大部分的嵌锂过程都发生在这个阶段。

2：导电剂选择的原则

（1）：根据正负极活性物质的粒径和形貌选择；

为了在电极中形成有效的导电网络，必须要有导电节点；其次，要有导电支点；此外，要有支点与节点之间的连接导线，他们要有良好的导电性和线状的形貌。

（2）：根据电池的倍率性能要求选择；

（3）：根据电池的高低温性能要求选择。

常用的导电剂中，碳纳米管不仅具有良好的导电性，还具有良好的导热性，同时具有双电层效应，特别是导热性好；

（4）：根据电池的总成本要求选择；

（5）：根据离子传导能力要求选择；

为了改善电极的离子传导能力，电极必须具有良好的吸液能力和适合的孔隙率。这要求选用比表面积大，孔隙率高的导电剂。

（6）：合理确定导电剂的加入量；

（7）：混合原则（多种混合搭配）

（8）：比例分配原则；

（9）：工艺控制（导电剂形成有效的导电网络，必须使导电剂在浆料中分散良好）

（10）：实际生产验证（验证导电剂在浆料中是否分散良好）

A）看浆料是否会沉降分层；

B）将浆料进行电镜分析，直接观测导电剂在浆料中的分散状况，观测导电网络的形成情况；

C）检验浆料黏度的稳定性；（分散良好的浆料，其黏度会保持稳定）

常见导电剂类型

3：草酸（辅助材料）

（1）：草酸的低酸性会腐蚀铜箔表面，使得表面粗糙程度趋于一致，改善黏结性能。

（2）：在涂布过程中，由于铜箔和羧基均呈现出极性，草酸中的一个羧基会吸附在铜箔的表面，另一个羧基集团会与浆料微粒（或者说浆料微粒的成分）发生吸附，使涂布过充中脱粉的现象得到改善。（表面活性改良）

（3）：在配料过程中，尤其是正极的配料过程中，有些PH较高的物质，也会适当添加一些草酸，主要是利用草酸的弱酸性，进行酸碱中和而防止浆料吸水凝胶。

（4）：之所以选择草酸，主要是因为草酸的分解温度低：有结晶水的草酸分解温度在120℃，在烘极片时就分解，几乎没有残余，可以避免对电池性能造成影响。

4：铁锂特性

（1）：磷酸铁锂具有结晶完整的橄榄石结构，其中的锂离子扩散通道不同于传统的正极材料。

（2）：传统正极材料具有层状结构或尖晶石结构，锂离子可以在层间或较大的通道内快速移动，从而使材料具有良好的放电性能。

（3）：磷酸铁锂材料的锂离子扩散通道是一维的，即晶体中只有供锂离子扩散的“孔道”，所以锂离子运动速度较慢，扩散距离较短。特别是大倍率放电情况下，内部的锂离子来不及迁出，电化学极化就会很大 。

（4）：橄榄石结构，由于结构上氧键（O-O）很强，因此在锂电池发生短路时，不会因为短路而产生爆炸。

（5）：铁锂材料本身较差的导电性和较低的锂离子扩散系数一直是阻碍其实用化的最主要原因，在提高磷酸铁锂的导电能力方面开展了大量研究。

（6）：借由循环伏安法的测量 可以看出，经由金属原子取代之后的LiFe1-xMxPO4，锂离子嵌入和脱的可逆性可以得到提升，并且抑制了二价铁离子在脱出锂后变为三价时，晶格体积变小 后对往返路径产生不利的影响。

5：制程技术（纯磷酸铁锂的导电性不佳）

a：Carbon coating（碳元素包覆）

b：metal doping （金属掺杂）

c：small particle size （材料纳米化）

6：铁锂材料的电化学反应模型

电极材料的电化学过程，一般要经过液相传质、电极表面吸附、电极表面放电、电极附近转化、新相生成等步骤和过程。

铁锂电极材料放电过程，具体步骤如下：（此时正极材料是FePO4）

（1）：锂离子在电化学势的驱动下，从电解液中迁移到正极电极表面；

（2）：锂离子冲破双电荷层的电势束缚，被吸附到正极表面；

（3）：正极材料放电，Fe3+变成Fe2+，达到电中和条件，从外电路得到一个电子，对外做功；

（4）：锂离子通过化学势和电化学势进入FePO4晶格；

（5）：锂离子不断向内部扩散，形成新相，磷酸铁锂相生成。

单个磷酸铁锂颗粒中锂离子脱/嵌的两种模型

7：生产设备的要求

（1）：铁锂，对其纯度，晶相、杂质等要求非常严格。

例如：铁锂中二价铁氧化度达到1%时，比容量可下降30%以上；原因是，新生成的三价铁包裹在磷酸铁锂的晶体表面，形成了惰性的反应层，阻止了磷酸铁锂内部继续反应。

（2）：对铁锂材料来说，最核心的工艺保证在于：

a：原料纯度高。不含有害杂质，不发生副反应；

b：配料成分准确。

c：混合均匀

d：烧结制度精确（温度和气氛）

e：材料的粉碎和分级工艺稳定（性能稳定化的关键工艺）

f：材料后续处理技术完备

工艺组成如下：

原料→混合→合成→粉碎→分级→后处理→包装

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锂离子电池装配之卷绕和叠片工艺丨锂离子电池

锂离子电池的装配通常是指将正负极片、隔膜、极耳、壳体等部件装配成电池的过程。装配过程通常可以分成卷绕和叠片、组装、焊接等工序。卷绕和叠片是将集流体上焊接有极耳的正负极片和隔膜制成正极—隔膜—负极结构的方形或圆柱形电芯结构的过程。

卷绕通常是首先将极耳用超声焊焊接到集流体上,正极极片采用铝极耳,负极采用镍极耳,然后将正负极极片和隔膜按照顺序正极—隔膜—负极—隔膜进行排列,再通过卷绕组装成圆柱形或方形电芯的过程,如图1所示。

1 卷绕式锂离子电池电芯结构示意图

叠片通常是以集流体作为引出极耳,将正负极极片和隔膜按照正极—隔膜—负极顺序,逐层叠合在一起形成叠片电芯的过程,叠片过程如图2所示。叠片方式既有将隔膜切断的直接叠片的积层式,也有隔膜不切断的Z字形叠片的折叠式。

2 叠片式锂离子电池结构示意图

卷绕与叠片的具体工艺要求如下:

① 负极活性物质涂层能够包住正极活性物质涂层,防止析锂的产生。对于卷绕电芯,负极的宽度通常要比正极宽0.5~1.5mm,长度通常要比正极长5~10mm;对于叠片电芯,负极的长度和宽度通常要大于正极0.5~1.0mm。负极大出的尺寸与卷绕和叠片的工艺精度有关,精度越高,留出的长度和宽度可以越小。

② 隔膜处于正负极极片之间能够将正负极完全隔开,并且比负极极片更长更宽:对于卷绕电芯,隔膜的宽度通常比负极要宽0.5~1.0mm,长度通常要比负极长5~10mm;对于叠片电芯,隔膜的长度和宽度通常要大于负极1~2mm。隔膜的具体长度与电芯结构设计有关。

③ 卷绕电芯要求极片卷绕的松紧适度,过松浪费空间,过紧不利于电解液渗入,同时还要避免电芯出现螺旋;叠片电芯要求极片和隔膜叠片的整齐度高,极片的极耳等部件装配位置要准确,从而减小空间浪费和安全隐患。

④ 卷绕和叠片过程要防止极片损坏,保持极片边角平整,无毛刺出现。

(3)卷绕与叠片各有优势　卷绕采用对正负极片整体进行卷绕的方式进行装配,通常具有自动化程度高,生产效率高,质量稳定等优点;但是卷绕电芯的极片采用单个极耳,内阻较高,不利于大电流充放电;另外卷绕电芯存在转角,导致方形电池空间利用率低。因此卷绕电芯通常用于小型常规的方形电池和圆柱形电池。

叠片电芯的每个极片都有极耳,内阻相对较小,适合大电流充放电;同时叠片电芯的空间利用率高。但是叠片工艺相对烦琐,同时存在多层极耳,容易出现虚焊。因此叠片电芯通常适用于大型的方形电池,也可用于超薄电池和异形电池。

全自动卷绕机的工艺流程如图3所示。隔膜、正负极极片利用放卷机主动放料进入输送过程,隔膜经过除静电后进入卷绕工位,在卷针转动的驱动下进行预卷绕;极片经过除尘、极耳焊接、贴胶后进入卷绕工位,依次插入到预卷绕的隔膜中进行共同卷绕;切断极片和隔膜,贴胶固定电芯结构,进行短路检测,进入传输装置送入下一工序。

⁃3 锂离子电池全自动卷绕机工艺流程

全自动叠片机的工艺流程见图4。正负极极片经过定位后传输至叠片台,隔膜从料卷放卷后也引入叠片台;极片经过精确定位后依次叠放在叠片台上,隔膜左右往复移动形成正极/隔膜/负极的叠片结构,叠片完成后,自动贴胶,完成后送入下一工序。

4 锂离子电池全自动叠片机工艺流程

卷绕工艺中主要的参数有卷绕速度、卷绕张力以及附带的焊接参数和贴胶参数等。不同设备对应的具体参数不同,其中极片和隔膜的张力控制直接影响电芯的松紧度及其一致性。在电芯卷绕过程中,张力过大会导致极片和隔膜拉伸发生塑性变形,严重时甚至拉断;张力过小会导致电芯的松紧度过低,还可能使卷绕不能正常进行。因此在卷绕过程中必须对张力进行合理的控制。隔膜的张力控制为0.3~1N,极片为0.4~1.5N。

相对于圆柱形电池,采用片式卷针的方形电池卷绕时张力波动更大。张力严重波动会导致电芯内部的电极产生膨胀,造成电芯变形、卷绕不整齐、电池表面不平整等。张力控制时要考虑为电芯在后续充放电过程中的膨胀预留膨胀空间。常见的张力过大导致的缺陷为电芯内部褶皱和中心孔反弹,见图5。这些褶皱可能是由电芯内部压力过大导致的,中心孔反弹可能是由张力过大造成的。

5 圆柱形电池卷绕的褶皱和隔膜中心孔反弹

纠偏直接影响极片卷绕的整齐度,当纠偏精度降低或出现故障时会出现螺旋现象。有螺旋现象电池和正常电池的X射线微焦衍射透视如图6所示。螺旋直接使电池的安全性能下降和降低空间利用率,手工卷绕时螺旋现象和不整齐现象严重,这是手工卷绕逐渐被淘汰的原因。

6 方形电池卷绕的螺旋现象

对于隔膜连续的叠片电池,张力影响电芯的形状,如果张力过大容易导致叠片电芯的隔膜边缘翘曲,导致电芯不平整。同时在叠片过程中,极片的精度控制和纠偏影响电芯的结构,精度控制较低容易导致负极包不住正极,存在安全隐患。

贴胶是将胶带贴于极片和电芯的过程。对于卷绕和叠片电芯,应对电芯的底部、侧面、顶部和卷绕终止处进行贴胶。对于卷绕的极片,在极片的头尾部、焊接极耳处以及极耳引出部位也需要贴胶,如图7所示。

7 典型贴胶固定方式

贴胶的作用主要有固定电芯形状和提高电池安全性能。极片和极耳贴胶主要是防止极片和极耳上的毛刺刺破隔膜以及在使用不当时的短路,提高电池的安全性能。在电芯底部、侧面、顶部和卷绕终止处的贴胶可以起到固定电芯、方便后续入壳装配和提高安全性能等多种作用。

胶带的质量、贴胶位置和尺寸影响电池厚度和安全性能。贴胶过多会导致电池的有效体积降低,电池容量的下降。胶带的耐高温性能、耐针刺强度、抗拉强度、耐电解液腐蚀性和电气绝缘性也会影响安全性能。锂离子电池极耳胶带通常采用丙烯酸类胶料和聚酰亚胺基材,终止固定及其他部位的胶带通常采用丙烯酸类胶料和聚丙烯基材。良好胶带需要具有适当的黏着力和揭开后不留残胶。