【中国汽车智能制造百人会】锂电池-工艺-锂电池工艺经验总结

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作者:shizheng_123 2024-8-10 17:41:32
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随着技术不断发展,电池的各种全新制造工艺和技术层出不穷,今天我们就来看一看,锂电池的详细制作工艺。

首先,锂电池制作可分为正极配料、负极配料、涂布、正极制片、负极制片、正极片制备、负极片制备、卷绕、入壳、滚槽、电芯烘烤、注液、超焊盖帽共13大步骤。

01

正极配料

锂电池的正极材料由活性物、导电剂、粘结剂组成,其具体制作流程如下:

来料确认&烘烤

一般导电剂需大约120℃烘烤8小时,粘结剂PVDF则需约80℃烘烤8小时,活性物(LFP、NCM等),视来料状态和工艺而定是否需要烘烤干燥。当前车间要求温度≤40℃、湿度≤25%RH。

配置PVDF胶液

如果采用湿法工艺,则需要提前配好PVDF胶液(溶质PVDF,溶液NMP)

PVDF胶液好坏对电池的内阻、电性能影响至关重要。

影响打胶的因素有温度、搅拌速度。温度越高,胶液配出容易泛黄,影响粘结性;搅拌的速度太高,容易将胶液打坏,具体的转速需要看分散盘的大小而定,一般情况下分散盘线速度在10-15m/s(对设备依赖性较高)。此时要求搅拌罐需要开启循环水,温度≤30℃。

正极浆料

此时需要注意加料的顺序(先加活性物和导电剂慢搅混合、再加入胶液)、加料时间、加料比例,要严格按工艺执行。

其次需要严格控制设备公转和自转速度(一般分散线速度要在17m/s以上具体要看设备性能,不同厂家差别很大)、搅拌的真空度、温度。

在此阶段需要定期检测浆料的粒度和粘度,而粒度和粘度跟固含量、材料性能、加料顺序和制程工艺关系紧密。此时常规工艺要求温度≤30℃、湿度≤25%RH、真空度≤-0.085MPa。

浆料配完后就要将浆料转出至中转罐或涂布车间,浆料转出时需要对其过筛,目的就是过滤大颗粒物、沉淀和去除铁磁性等物质。

大颗粒影响涂布到最后可能导致电池自放过大或短路的风险;浆料铁磁性物质过高会导致电池自放电过大等不良。此时的工艺要求是温度≤40℃,湿度≤25%RH,筛网≤100目,粒度≤15um(参数仅供参考)

02

负极配料

负极和正极相似,除了活性物、导电剂、粘接剂以外,还需要分散剂。

来料确认

常规负极体系为水系混料过程(溶剂为去离子水),因此来料无需干燥要求。此过程要求去离子水导电率在≤1us/cm。

车间要求温度≤40℃、湿度≤25%RH。

具体的工艺示意图如下:

负极配料流程图

制备胶液

料确认完成后,首先制备胶液。此时石墨C和导电剂倒入搅拌机进行干混,建议不抽真空,开启循环水(干混时颗粒挤压摩擦产热严重),低速15-20rpm,间隔15分钟刮料循环2-3次。

接下来将胶液倒入搅拌机中开启抽真空(≤-0.09mpa),低速15-20rpm刮料循环2次,再调整转速(低速35rpm,高速1200-1500rpm),运行15-60分钟(具体依各厂家的自身的湿法工艺而定)

最后将SBR倒入搅拌机中,建议此时快速低时搅拌(SBR属于长链高分子物,速度过高时间过长分子链易打断失去活性)建议低速35-40rpm,高速1200-1800rpm,10-20分钟。 

粘度测量

参考数值如下:粘度2000-4000m Pa.s、粒度≤35μm、固含量40-70%,抽真空过筛≤100目。

具体的工艺值需要根据材料物性、混料工艺等影响有一定差异。车间要求温度≤30℃、湿度≤25%RH。

03

涂布

正极涂布

将正极浆料挤压涂或喷涂在铝集流体AB面上,单面密度20-40 mg/cm2(NCM功率型),涂布烤箱温度常规4-8节或更多,每节烘烤温度95-120℃,按实际需要调整,避免烘烤开裂出现横向裂纹和滴溶剂现象。

转移涂布辊速比1.1-1.2,间隙位打薄20-30um(避免拖尾导致在极耳位压实过大,电池循环过程析锂),涂布水份≤2000-3000ppm(具体要根据材料和工艺而定)。车间正极温度≤30℃,湿度≤25%。

负极涂布

将负极浆料挤压涂或喷涂在铜集流体AB面上,单面密度约10-15mg/cm2,涂布烤箱温度常规4-8节或更多,每节烘烤温度80-105℃,按实际需要调整,避免烘烤开裂出现横向裂纹。

转移辊速比1.2-1.3,间隙位打薄10-15um,涂布水份≤3000ppm,车间负极温度≤30℃,湿度≤25%。

04

正极制片

正极涂布干燥完,需要在工艺时间内进行对辊。对辊即对极片进行压实,目前有热压和冷压两种工艺。

热压压实相对冷压高,反弹率较低;冷压工艺相对简单易操作控制。

对辊主要设备到如下工艺值:压实密度、反弹率、延伸率。同时要注意极片表面无脆片、硬块、掉料、波浪边等现象且间隙处不允许断裂。此时车间环境温度≤23℃、湿度≤25%。

压实:单位体积敷料的质量,目前常规物料的真密度数据:

常规物质真密度表

物质

真密度数值(g/cm³)

LFP

3.6

LCO

5.1

LMO

4.3

PVDF

1.5

铝箔

2.7

反弹率:一般反弹2-3μm;

延伸率:正极极片一般在1.002左右。

极片对辊示意图

正极对辊完接下来就是分条,即将整片极片分裁剪宽度一样的小条(对应电池高度)分条要注意极片的毛刺,需要全检极片的X和Y向的毛刺(借助二次元设备),纵向毛刺长度工艺Y≤1/2 H隔膜厚度。车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃。

分切示意图

05

负极制片

负极制片与正极同样操作,但工艺设计不同,车间环境温度≤23℃、湿度≤25%。常见负极物质的真密度:

常规物质真密度表

物质

真密度数值(g/cm³)

石墨

2.26

硬碳

0.8-0.9

软碳

1.5

CMC

0.6

SBR

0.9

铜箔

8.8-8.9

(单光与双光不同)

常用负极压实表

反弹率:一般在4-8μm左右;

延伸率:一般在1.0012左右。

负极分条与正极分条工艺类似,X和Y向毛刺都需要控制。车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃。

06

正极片制备

分条完毕后,需对正极片进行干燥处理(120℃),再就是焊接铝极耳和极耳包胶工艺。此时需要考虑极耳长度和整形宽度。

以某锂电池设计为例,设计极耳外露主要考虑到正极耳要焊接盖帽和滚槽时合理配合。

极耳外露过长,滚槽时易使极耳与钢壳短路;过短极耳无法焊接盖帽。极目前超声焊头有线状和点状,国内工艺较多采用线状(过流、焊强考虑)

另采用高温胶将极耳包覆,主要考虑到金属毛刺和金属碎屑造成短路风险。此车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃、正极水份含量≤500-1000ppm。

参考工艺参数

极耳外露值

约20-25mm

极片整形高度

约80-85mm

焊接强度

约2-3kg

焊接面积

满足过流设计

包胶面积

高温胶盖住极耳4-5mm

某型正极耳焊接简易工艺

极耳焊接示意图

07

负极片制备

需对负极片进行干燥处理(105-110℃),再就是焊接镍极耳和极耳包胶工艺。也需要考虑极耳长度和整形宽度。此车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃、负极水分含量≤500-1000ppm。

参考工艺参数

极耳外露值

约16-18mm

极片整形高度

约77mm

焊接强度

≥2kg

焊接面积

满足过流设计

某型负极耳焊接简易工艺

08

卷绕

卷绕就是将隔膜、正极片、负极片通过卷绕机成单个卷芯。原理是采用负极包住正极,再通过隔膜将正负极片隔离。

因为常规体系负极作为电池设计的控制电极,容量设计高于正极,使在化成充电时正极的Li+能在负极“空位“存放。卷绕需要特别关注卷绕张力和极片对齐度

卷绕张力小,会影响内阻和入壳率;张力过大易造成短路或断片风险。对齐度指负极、正极和隔膜的相对位置,负极宽度59.5mm、正极58mm、隔膜61mm,三者居中对齐,避免短路风险。

卷绕张力一般在正张力0.08-0.15Mpa,负张力0.08-0.15Mpa;上隔膜张力0.08-0.15Mpa,下隔膜张力0.08-0.15Mpa,具体要依据设备和工艺调整。此车间环境温度≤23℃、露点≤-30℃、水分含量≤500-1000ppm。

卷绕极片隔膜叠放顺序示意图

卷绕成卷芯示意图

09

入壳

卷芯入壳前需要进行Hi-Pot测试电压200-500V(测试是否存在高压短路),吸尘处理(入壳前进一步控制粉尘)

这里需要强调锂电的三大控制点水分、毛刺、粉尘。

前面工序完成后,将下面垫垫入卷芯底部后弯折负极耳,使极耳面正对卷芯卷针孔,最后垂直插入钢壳或铝壳(以某型号为例,外直径约为18mm,高度约为71.5mm)

当然卷芯的横截面积要小于钢壳内截面积,大约入壳率在97-98.5%,因为要考虑到极片反弹值和后期注液时下液程度。同入面垫工序,将上面垫也装配完成。此车间环境温度≤23℃、露点≤-40℃。

入壳示意图

10

滚槽

将焊针(一般是铜质或合金材质),插入卷芯中间孔。常用焊针规格在Φ2.5*1.6mm,达到负极极耳焊接强度≥12N为合格,过低容易虚焊,内阻偏大;过高容易将钢壳表面的镍层焊掉,导致焊点处生锈露液等隐患。

滚槽简单理解就是将卷芯固定在壳体内不晃动。此工序需特别注意横向挤压速度和纵向下压速度匹配,避免横向速度过大将壳体割破,纵向速度过快槽口镍层脱落或影响槽高进行影响封口。

需要检测槽深、扩口、槽高工艺值是否达标(通过实际和理论计算)。常见的滚刀规格有1.0、1.2、1.5mm。滚槽完成后需要再次对整体吸尘处理,避免金属碎屑,真空度≤-0.065Mpa,吸尘时间1-2s 。此车间环境温度≤23℃、露点≤-40℃。

点底焊和滚槽示意图

11

电芯烘烤

圆柱电芯经过滚槽之后,接下就是非常重要的一步:烘烤。电芯在制作过程中,会带入一定的水分,如果不及时得把水分控制在标准之内,将会严重影响电池性能的发挥和安全性能。

一般采用自动真空烤箱进行烘烤,整齐放入待烘烤电芯,在烘箱里面摆好干燥剂,设置参数,加热升温至85℃(以磷酸铁锂电芯举例),需要经过几个真空干燥循环才能达到标准。

几种不同尺寸电芯烘烤标准:

不同尺寸电芯烘烤标准

型号

烘烤

温度

烘烤

时长

h

正极片

含水量

PPM

负极片

含水量

PPM

14系列

85

60

≤1500

≤1500

18系列

85

72

≤1200

≤1200

22系列

85

72

≤500

≤500

注:设置温度85℃,实际温度85±3℃

12

注液

将烘烤好的电芯进行水分测试,符合前面的烘烤标准后,才能进行下一步:注入电解液。

将烘烤合格的电芯快速放入真空手套箱内,进行称重,记录重量,套上注液套杯,将设计好重量的电解液加入套杯中(一般会进行泡液实验:将电芯放入电解液中,浸泡一段时间,测试电芯最大吸液量,一般按实验量进行注液),放入真空箱中抽真空(真空度≤-0.09Mpa),加速电解液侵润极片。

进行几次循环后,取出电芯进行称重,计算注液量是不是符合设计值,少了需要进行补液,超了需要倒掉多余部分,直到符合设计要求。手套箱环境:温度≤23℃、露点≤-45℃。

13

超焊盖帽

提前将盖帽放入手套箱中,一手将盖帽紧扣在超焊机下模具,一手拿电芯,电芯正极耳与盖帽极耳对齐,确认正极耳与盖帽极耳对齐OK后,踩下超焊机脚踏板开关。

之后需要全检电芯:自检极耳焊接效果,首先是观察极耳是否对齐;其次是轻拉极耳,看极耳是否松开。超焊盖帽虚焊的电芯需要重新进行超焊。

— END —

1、文中观点仅供分享交流,不代表本公众号立场;

2.、文章来源:晓风数据锂航,转载需备注智享新动力

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