锂电池原理、配方和工艺流程及锂电池制作过程

锂电池原理、配方和工艺流程及锂电池制作过程

引用

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1.

http://www.360doc.cn/article/81836239_1121747083.html

锂电池作为现代科技的重要组成部分，广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。本文以钴酸锂为例，全面讲解锂离子电池的原理、配方和工艺流程，以及锂电池的性能与测试、生产注意事项和设计原则。

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作。随着新能源汽车等下游产业不断发展，锂离子电池的生产规模正在不断扩大。

锂电池的基本结构与工作原理

正极材料

LiCoO2 + 导电剂 + 粘合剂 (PVDF) + 集流体（铝箔）

负极材料

石墨 + 导电剂 + 增稠剂 (CMC) + 粘结剂 (SBR) + 集流体（铜箔）

当电池充电时，正极上的电子e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。

放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

锂电池的关键材料与性能

正极材料

LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2是常用的正极材料。其中LiCoO2是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走x个Li离子后，其结构可能发生变化，当x >0.5时，Li1-xCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌。

负极材料

负极通常采用石墨，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，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≥2.5V。

记忆效应

在锂电池中几乎不会产生记忆效应，但锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，主要是正负极材料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物。

过度充电和过度放电

过度充电和过度放电将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。

锂电池的配方与工艺

正极配方

LiCoO2+导电剂+粘合剂+集流体（铝箔）

• 钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池提供锂源。非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为6-8 μm，含水量≤0.2%，通常为碱性，pH值为10-11左右。
• 导电剂：通常使用导电性优异的超导碳黑，如科琴炭黑Carbon ECP和ECP600JD，其作用是提高正极材料的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性。
• PVDF粘合剂：用于将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。

负极配方

石墨+导电剂+增稠剂（CMC）+粘结剂（SBR）+ 集流体（铜箔）

• 石墨：负极活性物质，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。一般粒径 D50为20μm左右。
• 导电剂：1.0%（科琴超导碳黑）
• 粘结剂：2.25%（SBR = 丁苯橡胶胶乳）
• 增稠剂：2.25%（CMC = 羧甲基纤维素钠）

制备工艺

1. 正极浆料制备

• 将NMP倒入动力混合机（100L）至80°C，称取PVDF加入其中，开机；参数设置：转速25±2r/min，搅拌115-125min；
• 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28-32min，第三次加料视材料需要添加NMP，第四次加料后加入NMP；
• 第四次加料30±2min后进行高速搅拌，时间为480±10min；
• 真空混合：将动力混合机接上真空，保持真空度为-0.09Mpa，搅拌30±2min；
• 取250-300ml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. 负极浆料制备

• 将负极和KetjenblackECP倒入料桶同时加入球磨（干料：磨球=1:1.2）在滚瓶及上进行球磨，转速控制在60rmp以上；
• 纯净水加热至至80°C倒入动力混合机（2L）
• 加CMC，搅拌60±2min；
• 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28-32min；
• 第四次加料30±2r/min后进行高速搅拌，时间为480±10min；
• 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30±2min；
• 测试条件：转子号5，转速30rpm，温度范围25°C；
• 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。

电池组装工艺

1. 圆柱电池的装配工艺流程

• 绝缘底圈入筒→卷绕电芯入筒→插入芯轴→焊负极集流片于钢筒→插入绝缘圈→钢筒滚线→真空干燥→注液→组合帽（PTC元件等）焊到正极引极上→封口→X射线检查→编号→化成→循环→陈化。

2. 方形电池装配工艺流程

• 绝缘底入钢盒→片状组合电芯入筒→负极集流片焊于钢盒→上密封垫圈→正极集流片焊于杆引极→组合盖（PTC元件等）焊到旋引极上→组合盖定位→激光焊接→真空干燥→注液→密封→X射线检查→编号→化成→循环→陈化。

锂电池的性能测试

容量测试

1. 额定容量：0.5C放电，单体电池放电时间不低于2h，电池组放电时间不低于108min（95%）；
2. 1C放电容量：1C放电，单体电池放电时间不低于57min（95%），电池组放电时间不低于54min（90%）；
3. 低温放电容量：-20℃下0.5C放电，单体或电池组放电时间均不低于72min（60%）；
4. 高温放电容量：55℃下0.5C放电，单体电池放电时间不低于104min（95%），电池组放电时间不低于108min（90%）；
5. 荷电保持及恢复能力：满电常温下搁置28天，荷电保持放电时间不低于96min（80%），荷电恢复放电时间不低于108min（90%）；
6. 储存性能：在环境温度40℃±5℃，相对湿度45％～75％的环境贮存90天，放电时间不低于72min（60%）；
7. 循环寿命：单体电池循环寿命不低于600次，电池组循环寿命不低于500次；
8. 高温搁置寿命：搁置寿命不低于56天（8周循环）。

安全性测试

1. 持续充电：相当于满电浮充，电池应不起火、不爆炸。
2. 过充电：3C10V，电池应不起火、不爆炸。
3. 强制放电（反向充电）：电池应不起火、不爆炸。
4. 短路测试：电池应不起火、不爆炸。

机械性能测试

1. 挤压：圆柱形电池挤压方向垂直于圆柱轴的纵轴，方形电池挤压电池的宽面和窄面。
2. 针刺：用φ3mm～φ8mm的钢钉从垂直于电池极板的方向贯穿。
3. 重物冲击：用重量9.1kg的重物从610mm高度自由落到电池中心的钢棒上。
4. 机械冲击：在三个互相垂直的方向上各承受一次等值的冲击。
5. 振动：频率10Hz～55Hz，加速度29.4 m/s2，XYZ每个方向扫频循环次数为10次。
6. 自由跌落：从XYZ三个方向各一次。

环境适应性测试

1. 高温烘烤：将单体电池放入高温防爆箱中，以（5±2℃）/min升温速率升温至130℃，在该温度下保温10min。
2. 高温储存：将单体电池或电池组放置在75±2℃的烘箱中搁置48h，电池应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。

总结

锂电池技术是现代科技的重要组成部分，其性能和安全性直接影响到各类电子设备的使用体验。通过本文的详细介绍，我们可以看到锂电池的生产过程是一个复杂而精细的过程，涉及材料科学、化学工程、机械加工等多个领域的知识。随着新能源汽车和储能技术的快速发展，锂电池技术也在不断创新和进步，未来有望在更多领域发挥重要作用。