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+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔） 正极2.0 负极构造石墨+导电剂+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：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=LixC6二 工艺流程1.正负极配方1.1 正极
2、配方（LiCoO2(钴酸锂)+ 导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）正极）LiCoO2(10m):95.15%其它：4.85%如 Super-P:2.5PVDF(HSV900):2.1%,是粘合剂：将钴酸锂，导电剂和铝箔粘合在一起。NMP（增加粘结性）45%:用来溶解 PVDF 同时来稀释浆料。a)正极黏度控制；b)NMP 重量须适当调节，达到黏度要求为宜；c)特别注意温度湿度对黏度的影响 钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池提高锂源。钴酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径 D50 一般为 6-8 m，含水量0.2% ，通常为碱性，PH 值为 10-11 左右。锰酸锂：非极性物
3、质，不规则形状，粒径 D50 一般为 5-7 m，含水量0.2% ，通常为弱碱性，PH 值为 8 左右。 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。非极性物质，葡萄链状物，含水量 3-6%，吸油值 300，粒径一般为 2-5 m；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。 PVDF 粘合剂：将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。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。 NMP：弱极性液体，用来溶解/溶胀 PVDF
4、，同时用来稀释浆料。 正极引线：由铝箔或铝带制成。1.2 负极配方（石墨+导电剂(乙炔黑)+ 增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔） 负极）根据不同材料来定2.正负极混料 石墨：负极活性质，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。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 20m 左右。颗粒形状多样且多不规则，主要有球形、片状、纤维状等。 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
5、高反应界面，减少极化。（可根据石墨粒度分布选择加或不加） 。 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。增稠剂/防沉淀剂（CMC ）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。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） 。水性粘合剂（SBR）：将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜
6、网粘合在一起。小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。增稠剂/防沉淀剂（CMC ）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。 负极引线：由铜箔或镍带制成。去离子水（或蒸馏水）：稀释剂，酌量添加，改变浆料的流动性。2.1 正极混料 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。 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
7、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） 。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
8、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
9、。 稀释。将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。2.1.1 原料的预处理（1） 钴酸锂：脱水。一般用 120 oC 常压烘烤 2 小时左右。（2） 导电剂：脱水。一般用 200 oC 常压烘烤 2 小时左右。（3） 粘合剂：脱水。一般用 120-140 oC 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。2.1.2 物料球磨a）将 LiCoO2 Super-P 倒入料桶，同时加入磨球（干料：磨球=1:1），在滚瓶及上进行球磨，转速控制在 60rmp 以上；b）4 小时结束，过筛分离出球磨；2.1.3 操作步骤a) 将 NM
10、P 倒入动力混合机（100L）至 80,称取 PVDF 加入其中，开机；参数设置：转速 252 转/分，搅拌 115-125 分钟；b) 接通冷却系统，将已经磨号的正极干料平均分四次加入，每次间隔 28-32 分钟，第三次加料视材料需要添加 NMP，第四次加料后加入 NMP；动力混合机参数设置：转速为 202 转/分c) 第四次加料 302 分钟后进行高速搅拌，时间为 48010 分钟；动力混合机参数设置：公转为 302 转/分，自转为 252 转/分；a) 真空混合：将动力混合机接上真空，保持真空度为-0.09Mpa，搅拌 302 分钟；动力混合机参数设置：公转为 102 分钟，自转为 82
11、 转/分b) 取 250-300 毫升浆料，使用黏度计测量黏度；测试条件：转子号 5，转速 12 或 30rpm，温度范围 25；c) 将正极料从动力混合机中取出进行胶体磨、过筛，同时在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。2.1.4 注意事项a) 完成，清理机器设备及工作环境；b) 操作机器时，需注意安全，避免砸伤头部。2.2 负极混料2.2.1 原料的预处理：（1） 石墨： A、混合，使原料均匀化，提高一致性。B、300400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
12、合剂：适当稀释，提高分散能力。 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 稀释：将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。2.2.2 物料球磨a）将负极和 Super-P 倒入料桶同时加入
13、球磨（干料：磨球=1:1.2）在滚瓶及上进行球磨，转速控制在 60rmp 以上；b）4 小时结束，过筛分离出球磨；2.2.3 操作步骤a) 纯净水加热至至 80倒入动力混合机（2L）b)加 CMC，搅拌 602 分钟；动力混合机参数设置：公转为 252 分钟，自转为 152 转/分；c) 加入 SBR 和去离子水，搅拌 602 分钟；动力混合机参数设置：公转为 302 分钟，自转为 202 转/分；d) 负极干料分四次平均顺序加入，加料的同时加入纯净水，每次间隔 28-32 分钟；动力混合机参数设置：公转为 202 转/分，自转为 152 转/分；e) 第四次加料 302 分钟后进行高速搅拌，
14、时间为 48010 分钟；动力混合机参数设置：公转为 302 转/分，自转为 252 转/分；f) 真空混合：将动力混合机接上真空，保持真空度为-0.09 到 0.10Mpa，搅拌302 分钟；动力混合机参数设置：公转为 102 分钟，自转为 82 转/分g) 取 500 毫升浆料，使用黏度计测量黏度；测试条件：转子号 5，转速 30rpm，温度范围 25；h) 将负极料从动力混合机中取出进行磨料、过筛，同时在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。2.2.4 注意事项a) 完成，清理机器设备及工作环境；b) 操作机器时，需注意安全，避免砸伤头部。 配料注意事项：1、 防
15、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；5、 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。3.电池的制作
16、一3.1 极片尺寸：a,涂料的长度，b，两面间隙位，3.2 拉浆工艺a) 集流体尺寸正极（铝箔） ，间歇涂布负极（铜箔） ，间歇涂布b) 拉浆重量要求电极 第一面双面 重量（g） 面密度（mg/cm2） 重量（g） 面密度（mg/cm2）3.3 裁片a) 正极拉浆后进行以下工序裁大片 裁小片 称片（配片） 烘烤 极耳焊接b) 负极拉浆后进行以下工序：裁大片 裁小片 称片（配片） 烘烤 极耳焊3.6 极片烘烤电极 温度 时间（小时） 真空度正极 100 12 -0.09Mpa负极 90 12 -0.09Mpa备注：真空系统的真空度为-0.095-0.10Mpa保护气为高纯氮气，气体气压大于 0.
17、5Mpa3.7 极耳制作正极极耳 上盖组合 超声波焊接铝条边缘与极片边缘平齐负极 镍条直接用点焊机点焊，要求点焊数为 8 个点镍条右侧与负极片右侧对齐，镍条末端与极片边缘平齐3.8 隔膜尺寸3.9 卷针宽度3.10 压芯电池卷绕后，先在电芯底部贴上 24mm 的通明胶带，再用压平机冷压 2 次；3.11 电芯入壳前要求胶纸 镍带。 。 。 。3.12 装壳3.13 负极极耳焊接负极镍条与钢壳用点焊机焊接，要保证焊接强度，禁止虚焊3.14 激光焊接仔细上号夹具，电池壳与上盖配合良好后才能进行焊接，注意避免出现焊偏3.15 电池真空烘烤温度 时间 真空度805 24 小时 -0.08Mpa备注：a
18、) 真空系统的真空度为-0.0950.10Mpab) 保护气为高纯氮气，气体气压大于 0.5Mpac) 每小时抽一次真空注一次氮气；3.16 注液量：2.90.1g注液房相对湿度：小于 40%温度：205封口胶布：宽红色胶布。粘胶布时注意擦净注液口的电解液化成前的一个活化时间：18-26 小时3.17 化成制度3.17.1 化成工艺a)恒流充电：0.05C*1.5h 0.15C*3.5h电压限制：4.00Vb)全检电压，电压大于 3.80V 的电池进行封口，电压小于 3.80V 的电池接着用mA 恒流至 3.90-4.00 后封口，用 1.35 的钢珠封口；c) 电池清洗，清洗剂为醋酸+酒精3
19、.17.2 分容制度a) 恒流充电（180min,0.2C，4.20V， ）b) 恒压充电（0.01C,4.2V）c) 搁置（5mind) 恒流放电（0.5C，3.000V，150min）e) 搁置（5min）f) 恒流充电（0.2C，3.93V，90min）g) 恒压充电（3.93V，0.01C，90min）h) 结束当从 LiCoO2 拿走 XLi 后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于 X 的大小。通过研究发现当 X0.5 时 Li1-XCoO2 的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制 Li1-XCoO2 中
20、的 X 值，一般充电电压不大于 4.2V 那么 X 小于 0.5 ，这时 Li1-XCoO2 的晶型仍是稳定的。负极 C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极 LiCoO2 中的 Li 被充到负极 C6 中，当放电时Li 回到正极 LiCoO2 中，但化成之后必须有一部分 Li 留在负极 C6 中，心以保证下次充放电Li 的正常嵌入，否则电芯的压倒很短，为了保证有一部分 Li 留在负极 C6 中，一般通过限制放电下限电压来实现：安全充电上限电压4 .2V，放电下限电压3.0V。锂离子电池安全特性是如何实现的？为了确保锂离子电池安全可*的使用，专家们进行了非常严格、周密的电池安全设计，以达到电池安全考核指标。（1）隔膜 135自动关断保护采用国际先进的 Celgard2300PE-PP-PE 三层复合膜。在电池升温达到120的情况下，复合膜两侧的 PE 膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到 135 时，PP 膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可*。
