【锂电工艺】圆柱形锂离子电池的生产工艺及原料介绍

文摘   2024-11-03 06:09   河北  

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锂离子电池原料经正极配料、负极配料-正、负极涂布干燥-辊压-分切-制片-卷绕-入壳-点底焊-滚槽-烘烤-注液-激光焊-封口-高温静置-套膜-喷码-化成-高温老化-分容-静置-分选等流程制得锂离子电池。详细生产工艺流程如下:

一、正极配料、负极配料

1.1 拆包、投料、计量

生产的锂电池的正极材料包括:正极活性物质——磷酸铁锂(或镍钴锰酸锂或锰酸锂)、碳纳米管(CNT溶液),正极粘结剂——聚偏氟乙烯(PVDF),正极溶剂——N-甲基吡咯烷酮(NMP),正极导电剂——乙炔黑,铝箔。

负极材料包括:负极活性物质——导电石墨,负极粘结剂——羧甲基纤维素(CMC)和 SBR,负极导电剂——乙炔黑,负极溶剂——纯水,铜箔。

碳纳米管(CNT溶液)、丁苯橡胶(SBR水溶液)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等液体材料为桶装存于相应储存区;纯水由纯水制备系统制备后,存于纯水储罐。

正负极材料分别设置1个投料间,袋装粉料通过运送至投料间,投料在全密闭的配料间内进行,通过全自动投料的方式将物料输送到相应的配料罐内。

1.2 计量、制浆

所有粉料通过粉料自动配料系统按照配方比例连续进入喂料混合机内,部分溶剂通过液体配料系统同样按照一定比例连续进入喂料混合机内,将粉料与粉料,粉料与溶剂预混合后进入主螺杆机。正极、负极制浆搅拌过程均为物料机械混合过程,不改变原有物料化学物质结构不发生化学反应。

二、正、负极涂布干燥

涂布过程也可称为涂膏或拉浆,即卷成筒状的集流体材料在机械的带动下匀速通过盛有糊状混合浆料的槽子,使混合膏料均匀涂布于连续集流体的正反两面。其中,正极集流体材料为铝箔,负极集流体材料为铜箔。涂布后的湿极片进入涂布机自带干燥箱进行干燥,干燥箱采用电加热循环热风烘干极片,正极片干燥温度约为120℃,负极片干燥温度约为100℃,此温度达到了NMP的挥发点,能够保证NMP和水分全部挥发,而其他物质不会分解或损失。干燥后的极片经张力调整和自动纠偏后进行收卷,供下一步工序进行加工。正极溶剂 NMP 全部挥发成有机废气,涂布机烘箱为封闭的管道,经风机引入NMP回收处理系统。

三、辊压工序

经干燥后的正、负极集流体上涂满了正、负极材料混合物,需要通过辊压机压实,达到合适的密度和厚度,压延成片状,厚度控制在0.130~0.150mm左右。

四、分切工序

使用全自动连续分条机对辊压后的正、负极片分切成工艺要求的宽度。这样在保证电池容积的同时,可以放入最大限度的电极材料,提高电池体积利用率。

五、制片工序

将分切完成后标准宽度的成卷正负极极片,通过超声波焊接机在设计预留的位置上焊接电流引线,即正负极极耳;正极电流引线(正极耳)材料为铝带,负极电流引线(负极耳)材料为镍带;在焊接位置使用绝缘胶带进行绝缘。

六、卷绕工序

将电流引线焊接完成的成卷正负极片通过圆柱装卷针进行柱状卷绕,正负极片间通过隔膜进行隔离,隔膜采用聚丙烯+聚乙烯材料。制作完成的电芯经过短路测试,合格电芯进入下一步工序。检出的不合格电芯重新卷绕。

七、入壳工序

卷绕结束后的合格电芯,将负极探出截面往下放入钢壳内,负极耳探出截面与钢壳底部之间使用PET材质的绝缘垫片隔离,负极耳自绝缘垫片预留的孔位探出,负极耳与钢壳底部平面接触且宽度方向中轴与电芯圆心重合。

八、点底焊工序

使用铜针贯穿电芯中心孔,采用电阻焊对负极耳与钢壳进行焊接。

九、滚槽工序

点底焊结束后电芯,在电芯正极耳探出截面放入PET材质的上绝缘垫片,正极耳自上绝缘片预留的孔位探出,后使用滚刀在固定的位置使电芯钢壳发生可控的形变。

十、烘烤工序

滚槽后的电池放入电热真空烘箱烘干一段时间,去除电池在制作过程中吸入的微量水分,这一过程主要是水蒸汽挥发出来。

十一、注液工序

将电解液通过全自动注液线加入到电芯中,注液材料为成品电解液,由于电解液中含有LiPF6,该物质接触空气中的水汽会导致分解,影响锂电池的性能,注液车间采取全封闭形式,注液工序均在注液房内完成。因此电解液储桶的拆封、电解液注液过程必须在常温、完全密闭且充满氮气的条件下进行。注液过程所需的氮气由制氮机制备得到,制备原理为将空气中的氮气和其它气体分离,制备的氮气通入注液装置内,分离后的其它气体排放,制氮机制取得氮气纯度大于99.9%。

注液装置在工作时,首先是自动机械臂将未拆封的电解液储桶经进料口送入注液装置内的拆封机内,然后注液装置进料口自动关闭,采用真空泵将封闭的不锈钢罩体内的空气抽出后拆封机再进行拆封。拆封后的吸液装置自动伸入电解液桶内抽取电解液并注入电池内。注液过程完成后,将电池盖板压下并扣住电池外壳体完成封口过程。注液过程在手套箱内完成,该工序为连续性生产。

十二、激光焊工序

注液结束后的电芯,通过激光焊接机将盖帽与电芯正极耳进行焊接,焊接结束后并将盖帽放入钢壳中。

十三、封口工序

通过特制的模具使电芯口部滚槽预留位对发生形变,对电池进行完全密封。

十四、高温静置

清洗结束后的电芯在高温箱中静置3-20小时,让电解液充分浸润。

十五、套膜喷码

对电池的除正负极接触端点以外的区域绝缘,并喷印每一只电池的唯一识别码。

十六、化成

注液后电池的首次充放电,通过化成可对电池正负极活性物质进行激活。

本项目采用化成柜对电池进行内化成,化成时间依据不同规格的电池有所差别。过程会产生废电池。

十七、高温老化

电池老化工艺过程是将放电态电芯置于高温老化室中搁置一定时间,根据搁置后电芯电压分布情况进行筛查,挑出电芯内部存在微短路缺陷的短路、低电压电芯。

十八、分容

电池在测容柜上经充、放电。第一次充电是为了将化成时未充满电的电池充满电;放电是指充满电的电池自动放完电,测容柜根据放电量的多少自动记录下各电池的容量,然后根据容量大小的不同将电池区分开,从而达到分容的目的;最后一次充电是将各电池再充满电。老化后测电压,根据测试结果对电池进行分选。检测合格的产品;不合格为废电池。

十九、静置

分容结束后的电池进行7~14天的常温静置,来稳定电池的状态。

二十、分选

对电池的内阻及电压设置一定的极差,通过全自动分选机对电池进行分组;过程会产生废电池。

原料情况:

碳酸二乙酯(DEC):C5H10O3,无色透明液体,微有刺激性气味。不溶于水,溶于醇、醚等有机溶剂。蒸汽压1.33kPa/20℃;闪点33℃;熔点-43℃;沸点125.8℃;溶解性:不溶于水,可混溶于醇、酮、酯等多数有机溶剂;密度:相对密度(水=1)1.0;相对密度(空气=1)4.07;稳定性:稳定;危险标记7(易燃液体)

碳酸乙烯酯(EC):C3H4O3,透明无色液体(>35℃),室温时为结晶固体。熔点35-38°C(lit.),沸点:248℃/760mmHg,243-244℃/740mmHg;闪点:160℃;密度:1.3218;折光率:1.4158(50℃);熔点:35-38℃;在电池工业上,可作为锂电池电解液的优良溶剂。

六氟磷酸锂(LiPF6):分子量为151.90,是制造锂电池的主要原料,它是一种白色粉末或呈白色晶体,潮解性强,易溶于水,暴露在空气中或加热时分解,熔点为200℃。六氟磷酸锂在空气中由于水蒸气的作用而迅速分解,放出PF5而产生白色烟雾。对眼睛、皮肤,特别是对肺部有侵蚀作用。六氟磷酸锂分解温度在70~90℃。可以充氩气密封保存隔绝空气,以防止其与水反应生成HF。

丙磺酸内酯(PS)丙磺酸内酯(PROPANESULTONE;1,2-Oxathiolane-2,2-dioxide),又名1,3-丙磺酸内酯(1,3-Propanesultone)。CASNo.为1120-71-4,分子式为C3H6O3S;(CH2)3OSO2。标准状况下为白色晶体,有难闻气味。外观与性状:白色晶体,有难闻气味熔点(℃):30~33沸点(℃):180(30mmHg)

碳酸亚乙烯酯(VC):分子式:C3H2O3、水中溶解度:11.5g/100ml、密度:1.36、熔点:19-22℃、沸点:162℃、折光率n20/D:1.42-1.423、闪点:73℃是一种锂离子电池新型有机成膜添加剂与过充电保护添加剂,具有良好的高低温性能及防气胀功能,可以提高电池的容量和循环寿命。

磷酸铁锂:分子式:LiFePO4,外观:粉末状固体,形貌:球形或类球形颗粒。分子量:157.76;熔点:>300℃;松装密度:0.7g/cm,振实密度:1.2g/cm3,中位径:2-6μm。在自然界以磷铁锂矿形式存在的,结构稳定,资源丰富,安全性能好,无毒。用于电池材料。

镍钴锰酸锂:是锂离子电池的关键三元正极材料,化学式为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。拥有比单元正极材料更高的比容量和更低的成本。A、高能量密度,理论容量达到28mAh/g,产品实际容量超过150 mAh/g;B、循环性能好,在常温和高温下,均具有优异的循环稳定性;C、电压平台高,在2.5-4.3/4.4V电压范围内循环稳定可靠;D、热稳定性好,在4.4V充电状态下的材料热分解稳定;E、循环寿命长,1C循环寿命500次容量保持80%以上;F、晶体结构理想、自放电小、无记忆效应等突出优点。

锰酸锂是一种无机化合物,化学式为LiMn2O4。通常为尖晶石相,黑灰色粉末。易溶于水。作为电极材料具有价格低、电位高、环境友好、安全性能高等优点,是最有希望取代钴酸锂LiCoO2成为新一代锂离子电池的正极材料。

聚偏氟乙烯(PVDF,正极粘接剂):化学名聚偏氟乙烯,(CH2CF2)x,常态下为半结晶高聚物,结晶度约为50%。外观为半透明或白色粉体或颗粒,无气味;迄今报道有α、β、γ、δ及ε等5种晶型,它们在不同的条件下形成,在一定条件(热、电场、机械及辐射能的作用)下又可以相互转化。在这5种晶型中,β晶型最为重要,作为压电及热释电应用的PVDF主要是含有β晶型。密度1.75-1.78g/cm3。玻璃化温度-39℃,脆化温度-62℃,熔点166~170℃,热分解温度350℃左右,长期使用温度-40~150℃。可用一般热塑性塑料加工方法成型。

N-甲基吡咯烷酮(NMP):化学名为N-甲基吡咯烷酮,C5H9NO,无色透明油状液体,微有胺的气味。密度:1.028,熔点:-24°C,沸点:203℃,81-82°C/10mmHg闪点:91°C,折光率n20/D:1.47。能与水、醇、醚、酯、酮、卤代烃、芳烃和蓖麻油互溶。饱和蒸汽压:20℃0.04kPa、40℃0.164kPa、50℃0.32kPa、60℃0.53kPa挥发度低,热稳定性、化学稳定性均佳,能随水蒸气挥发。本品化学性质不活泼,除铜外,对其他金属如碳钢、铝等无腐蚀性。

羧甲基纤维素钠(CMC,负极粘接剂):化学名为羧甲基纤维素钠,C8H16NaO8,为纤维素羧甲基醚的钠盐,属阴离子型纤维素醚,为白色或乳白色纤维状粉末或颗粒,密度0.5-0.7克/立方厘米,几乎无臭、无味,具吸湿性。易于分散在水中成透明胶状溶液,在乙醇等有机溶媒中不溶。

丁苯橡胶(SBR):化学名为丁苯橡胶,白色疏松柱状固体,是产量最大的通用合成橡胶,它是丁二烯与苯乙烯的无规共聚物。是指丁二烯和苯乙烯以松香酸皂或脂肪酸皂为乳化剂,以过氧化合物为引发剂(在5℃可与还原剂反应生成自由基),通过乳液聚合共聚而得到的。丁苯橡胶溶剂为厂家加水调配好的水剂。

碳纳米管(CarbonNanotube,CNT)是由碳原子二维六方晶格组成的一类纳米材料,其向一个方向弯曲并结合形成中空圆柱体。碳纳米管是碳的同素异形体之一,介于于富勒烯(Fullerene,0维)和石墨烯(Graphene,2维)之间。CNT溶液为厂家加NMP调配好的有液体物料。

石墨是元素碳的一种同素异形体,常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。

隔膜:在锂离子电池中,将电池正、负极板分隔开来,防止两极接触造成短路,并且能使电解质中的离子通过。白色超薄膜,厚度一般在25um左右,为PP和PE复合的多层微孔膜。

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