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电池材料的选择以及生产流程
电池材料的选择以及生产流程
  • 发布时间:2020-12-02 16:46

电池材料的选择以及生产流程

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锂离子电池原材料资源的开采、加工,重要有锂资源、钴资源和石墨。


能量密度、成本、安全性、热稳定性、循环寿命是动力锂离子电池的5个关键指标,三元材料,锰酸钾与磷酸铁锂任何一个在这5个方面都不具有绝对优势,导致动力锂离子电池极材料路线的差异。


一款电池的设计要首先从材料的选择开始,要根据目标需求,例如能量密度、倍率特性、循环寿命和安全等指标,选择合适的材料。正极材料选择方面,我们可以选择橄榄石结构的LiFePO4,这种材料更加适合应用在对能量密度需求不高的大巴车上,此外还有高容量的层状材料,例如NCM和NCM,这些材料更加适合应用在纯电动汽车上,尖晶石结构的LiMN2O4则更加适合应用在混合动力汽车上。


负极材料方面,石墨一直是锂离子电池负极材料的不二选择,事实上假如只考虑能量密度的话,金属锡更适合作为负极材料。


为了改善正负极的导电性,通常还要在其中添加少量的导电剂,目前最常见的导电剂为炭黑类材料,碳纤维类材料,以及近几年兴起的碳纳米管和石墨烯类材料。


此外,为了将电极粘附在集流体的表面还要添加1-4%的粘结剂,目前的粘结剂重要分为两大类一类是油系粘结剂,另一大类是水系粘结剂。


电池的四个部件非常关键:正极(放电为阴极),负极(放电为阳极),电解质,膈膜。正负极是发生化学反应的地方,重要地位可以理解。但是电解质有啥么用处?做功还很占重量。


电池内部,金属锂在负极失去电子被氧化,成为锂离子,通过电解质向正极转移;正极材料得到电子被还原,被正极过来的锂离子中和。电解质的理想用途,是运送且仅运送锂离子。电池外部,电子从负极通过外界电路转移到正极,中间进行做功。理想情况下,电解质应该是好的锂离子的载体,但绝不能是好的电子载体。因此在没有外界电路时,电子无法在电池内部从负极转移到正极;只有存在外界电路时,电子转移才能进行。


单体电池的生产


第一步,单体电极的生产


混:将电极活性材料、粘结剂、溶剂等混合在一起,充分搅拌分散后,形成浆料。


涂:将制备的浆料以指定厚度均匀涂布到集流体(铝箔或铜箔等)上。


烘:高温烘烤干燥处理。


混和烘是有联系的,烘是为了更好的将混合的浆料固定在铝箔或铜箔上,而烘流程是一个高耗能环节,如能改善该环节,即可降低锂离子电池的正负极生产成本。


锂离子电池的匀浆是锂离子电池生产的关键环节,匀浆环节重要是将活性物质、粘结剂和导电剂等成分混合成为均匀的悬浊液,通常我们会首先将粘结剂分散成为胶液,然后有一些工艺会首先将导电剂与胶液分散成为导电胶,然后与活性物质混合。


有的工艺会将导电剂和粘结剂一起与胶液进行混合,匀浆的关键在于如何将浆料中的各个成分分散均匀,为了达到这一目标要对匀浆工艺进行优化,目前重要的匀浆工艺重要分为干法匀浆和湿法匀浆,目前随着纳米材料的逐渐普及,目前厂锂离子电池厂家也开始采用高速分散设备,利用高速剪切用途,使得浆料分散的更加均匀,此外有也不少材料厂家开发了大量的改善浆料分散行的助剂。


第二步,单体电池的生产


在完成了上述的电极烘干过程后,我们就进入到了锂离子电池生产的下一个环节单体电池的生产。


压:辊压是对已涂好的正负极材料进行轧压使其压实更好的依附在铝箔或铜箔上。


切:分切是对已轧压好的极片按工艺标准分切成条。


为了防止烘干后的电极再次吸收水分,整个单体电池生产环节都要在干燥间内进行。


方形动力锂电池电芯的生产工艺重要有三大类,一种是卷绕工艺,这种工艺一般应用在圆柱形电池的生产上,目前也应用在方形电池的生产工艺上,这种工艺的重要优势是生产效率高,可以实现持续生产,缺点也很明显,由于电芯边缘处弯曲角度比较大,因此容易发生电极破碎,出现缺陷,特别是在厚电极的情况下,这一问题将变的更加严重;


第二种是叠片工艺,叠片工艺是一种比较理想的工艺,正负极极片首先会进行冲切,获得特定形状的极片,然后选择正极或者负极极片用隔膜制成封装袋进行保护,然后手工或者叠片机进行叠片,这种工艺的优势是不会引起极片形变,可以采用更厚的电极,但是由于叠片过程是一个非持续的过程,因此叠片工艺的生产效率比较低,采用这种工艺的厂家比较少;


第三种是Z型叠片工艺,这种工艺采用持续隔膜,将冲切好的正负极极片放置在隔膜中间,这种工艺在保留了叠片工艺的优势的基础上,也加速了生产过程,提高了生产效率,目前也有比较多的应用。


生产好的电芯首先要焊接极耳,极耳焊接方式重要是采用超声焊接工艺,采用卷绕工艺生产的电芯,受到电芯结构的限制单个电芯无法做的很厚,因此通常会将2-4个电芯并联焊接极耳,叠片工艺生产的电池结构上没有限制,因此一般都是单个电芯焊接极耳。下一步就到了入壳工序,焊接好极耳的电芯外表裹上保护膜后,装入到电池外壳之中,入壳后要把极耳与电池壳的盖子上的正负极极柱采用超声焊、铆接等工艺连接在一起,然后将电池的上盖和外壳通过激光焊接焊在一起。


在完成焊接后,通常还要进行检漏,并将其中漏率不合格的电池剔除,常见的检漏方法包括直压、倍压和差压等方法,良好的密封性是保证锂离子电池性能长期稳定可靠的关键,因此电池检漏也是方形动力锂电池生产中必不可少的一个环节。


经过检漏筛选的电池接下来就到了非常重要的注液工序,由于锂离子电池的电解液对水分十分敏感,因此注液过程必须在干燥间内部进行,为了改善电解液的浸润效果,通常要进行真空注液。


电解液充分浸润的电池随后进入到了化成工序,化成重要是通过对电池进行小电流的充放电,对电池进行活化。


此外,由于电解液分解过程中通常会发生产气的问题,出现的气体可能会积累在电芯内,导致电解液浸润不充分,因此有的厂家为了将化成过程中的产气排出,也会将电池封口安排在化成之后。


化成后的电池还要进行老化,所谓的老化就是将满电态的电池在一定的温度下进行搁置,搁置过程中由于锂离子电池内部的一些副反应,会导致电池的外电压和内阻的变化,通过对电池组的电压、内阻和容量等指标进行监控,能够剔除掉那些自放电不合格和内阻不合格的电池,以提高单体电池的一致性,同时老化结果也是后续的电池组匹配的重要参考依据,为了加速电池老化的速度,提高生产效率,厂家通常会在高温(50-60℃)下进行老化,以缩短电池老化时间。


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