干货 | 你应该知道的锂离子电池原理及工艺

一、电池制作所需参数

1、极片尺寸

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

3、正极拉浆后进行以下工序：

裁大片 裁小片 称片(配片) 烘烤 轧片极耳焊接负极拉浆后进行以下工序：

裁大片 裁小片 称片(配片) 烘烤 轧片极耳焊接

4、轧片要求

5、配片方案

6、极片烘烤

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0.5Mpa

7、极耳制作

a)　正极：

正极极耳在正极片处采用超声波焊接。铝条末端与极片边缘平齐。

b)　负极：

镍条尺寸：0.10×3.0×48mm，镍条直接用点焊机点焊，要求点焊点数为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。

8、隔膜尺寸：0.025×44.0×790±5mm

9、卷针宽度：22.65±0.05mm

10、压芯：电池卷绕后，先在电芯底部贴上24mm宽的透明胶纸，再用压平机冷压两次。

11、电芯入壳前要求

胶纸1：10.0×38.0±1.0mm，胶纸在电芯两侧分布均匀;

胶纸2：10.0×38.0±1.0mm，镍条在胶纸中央;

胶纸3：24.0×30.0±2.0mm，胶纸在电芯两侧分布均匀;

镍条右侧距电芯右侧为7.0±1.0mm。

12、装壳

装壳时应用双手同时用力，缓缓将电芯装入电池壳中，禁止划伤电芯。

13、负极极耳焊接

负极镍条与钢壳用点焊机进行焊接，要保证焊接强度，禁止虚焊。

14、激光焊接

激光焊接时应仔细上夹具，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。

15、电池真空烘烤

备注：

(1)真空系统的真空度为-0.095~-0.10MPa;

(2)保护气为高纯氮气，气体压力>0.5MPa;

(3)每小时抽一次真空注一次氮气

16、注液量：2.9±0.1g

注液房相对湿度：≤30%，温度：20±5℃封口胶布：6mm宽红色胶布，粘胶纸时注意擦净注液口处的电解液用2道橡皮筋将棉花固定在注液口处。

17、化成制度

(1)　开口化成工艺

a)　恒流充电：40mA×4h;80mA×6h

电压限制：4.00V

b)　全检电压，电压≥3.90V的电池进行封口，电压<3.90V的电池用60mA恒流至3.90~4.00V后封口，再打钢珠

c)　电池清洗，清洗剂为醋酸+酒精

(2)　续化成制度

按程序进行续化成：

a)　恒流充电(400mA，4.20V，10min)

b)　休眠(2min)

c)　恒流充电(400mA，4.20V，100　min)

d)　恒压充电(4.20V，20　mA，150　min)

e)　休眠(30min)

f)　恒流放电(750mA，2.75V，80　min)

g)　休眠(30min)

h)　恒流充电(750mA，3.80V，90　min)

j)　恒压充电(3.80V，20　mA，150　min)

(3)　检测分容

按如下档次对电池进行分容：

电池下柜后全检电压，电压<3.77V的电池采用程序补电：

(1)恒流充电(750mA，3.80V，10　min)

(2)休眠(2min)

(3)恒流充电(750mA，3.80V，30　min)

(4)恒压充电(3.80V，20　mA，60min)

18、电池复检

电池下柜分容后在室温下放置20天进行复检，步骤如下：

a)　用整形机对电池整形;

b)　全检电池厚度、电压、内阻，分类方法如下：

二、电池制作工艺流程

1、(正、负极)干混→湿混→滚涂膏体在导电基体上→3步干燥→卷绕→切边(切成一定宽度)→辊压→卷绕(备用)干混采用球磨, 磨球是玻璃球或氧化锆陶瓷球。

湿混采用。行星式拌粉机, 其叶片分别装在2-3个轴上, 混合效果更好。湿混中溶剂数量要恰当, 形成合适的流变态, 以获得平滑的涂层。滚涂电极膏体要保证一定的粘度, 膏体涂于铝箔或铜箔的两面, 而涂层的厚度取决于电池的型号。然后再相继通过3个加热区进行干燥, NMP(或水)从涂层中随热空气或干燥氮气流动而挥发, 溶剂可以回收再利用。辊压是为了提高涂层的密度, 并使电极厚度能符合电池装配的尺寸, 辊压阶段的压力要适中, 以免卷绕时粉料散落。

2、电池的组装

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。

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。

装配工艺说明：以圆柱形电池为例(方形电池基本过程相同)。卷绕芯入筒以前, 将铝条(0.08—0.15㎜厚、3㎜宽)和镍条(0.04—0.10㎜厚, 3㎜宽)分别用超声波焊接在正、负极导电基体的指定处作为集流引极。

电池隔膜一般采用PE/PP2层或PP/PE/PP 3层组成, 隔膜都是经过120℃热处理过的, 以增加其阻止性和提高其安全性。

正极、隔膜、负极3者叠合后卷绕入筒, 由于采用涂膏电极, 故必须让膏体材料与基体结合得好, 以形成高密度电极, 特别要防止掉粉, 以免其穿透隔膜而引起电池内部短路。

在卷绕电芯插入钢筒以前, 放一个绝缘底入钢筒底部是为了防止电池内部短路这对于一般电池都是相同的。

电解质一般采用LiPF6和非水有机溶剂, 在真空注液以前,电池要真空干燥24/h, 以除去电池组分中的水分和潮气, 以免LiPF6与水反应形成HF而缩短寿命。

电池密封采用涂密封胶、插入垫圈、卷边加断面收缩过程,基本原理与碱性可充电池相同。封口以后, 电池要用异丙醇和水的混合液除去油污物和溅出的电解液, 然后再干燥。使用一种气味传感器或“ 嗅探器”元件检查电池漏液情况。

整个电池装配完成以后, 电池要用X射线鉴定电池内部结构是否正常, 对于电芯不正、钢壳裂缝、焊点情况、有无短路等进行检查, 排除有上述缺陷的电池, 确保电池质量。

最后一道工序是化成, 电池第1次充电, 阳极上形成保护膜, 称为固体电解质中间相层(SEI), 它能防止阳极与电解质反应, 并是电池安全操作、高容量、长寿命的关键要素。电池经过几次充放电循环以后陈化2—3周, 剔去微短路电池, 再进行容量分选包装后即成为商品了。

三、电池的性能

1、电性能：

(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1h54min(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1h12min(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1h54min(95%)，电池组放电时间不低于1h48min(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1h36min(80%)，荷电恢复放电时间不低于1h48min(90%);

(6)储存性能：进行贮存试验的单体电池或电池组应选自生产日期不足3个月的，贮存前充50%～60%的容量，在环境温度40℃±5℃，相对湿度45%～75%的环境贮存90天。贮存期满后取出电池组，用0.2C充满电搁置1h后，以0.5C恒流放电至终止电压,上述试验可重复测试3次，放电时间不低于1h12min(60%);

(7)循环寿命：电池或电池组采用0.2C充电，0.5C放电做循环，当连续两次放电容量低于72min(60%)时停止测试，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：应选自生产日期不足三个月的单体电池的进行高温搁置寿命试验，进行搁置前应充入50%±5%的容量，然后在环境温度为55℃±2℃的条下搁置7天。7天后将电池取出，在环境温度为20℃±5℃下搁置2～5h。先以0.5C将电池放电至终止电压，0.5h后按0.2C进行充电，静置0.5h 后，再以0.5C恒流放电至终止电压，以此容量作为恢复容量。以上步骤为1周循环，直至某周放电时间低于72min(60%),试验结束。搁置寿命不低于56天(8周循环)。

2、安全性能

(1)持续充电：将单体电池以0.2ItA恒流充电，当单体电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电并保持28d，试验结束后，应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸(相当于满电浮充)。

(2)过充电：将单体电池用恒流稳压源以3C恒流充电，电压达到10V后转为恒压充电，直到电池爆炸或起火或充电时间为90min或电池表面温度稳定(45min内温差≤2℃)时停止充电，电池应不起火、不爆炸(3C10V);将电池组用稳压源以0.5ItA恒流充电，电压达到n×5V(n为串联单体电池数)后转为恒压充电，直到电池组爆炸或起火或充电时间为90min或电池组表面温度稳定(45min内温差≤2℃)时停止充电，电池应不起火、不爆炸。

(3)强制放电(反向充电)：将单体电池先以0.2ItA恒流放电至终止电压，然后以1ItA电流对电池进行反向充电，要求充电时间不低于90min，电池应不起火、不爆炸;将电池组其中一只单体电池放电至终止电压，其余均为充满电态的电池，再以1ItA恒流放电至电池组的电压为0V时停止放电，电池应不起火、不爆炸。

(4)短路测试：将单体电池经外部短路90min，或电池表面温度稳定(45min内温差≤2℃)时停止短路，外部线路电阻应小于50mΩ，电池应不起火、不爆炸;将电池组的正负极用小于电阻0.1Ω的铜导线连接直至电池组电压小于0.2V或电池组表面温度稳定(45min内温差≤2℃)，电池应不起火、不爆炸

3、机械性能

(1)挤压：将单体电池放置在两个挤压平面中间，逐渐增加压力至13kN，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。每只电池只能接受一次挤压。试验结果应符合4.1.2.1的规定。在电池组上放一直径为15cm的钢棒对电池组的宽面和窄面挤压电池组，挤压至电池组原尺寸的85%，保持5min，每个电池组只接受一次挤压。

(2)针刺：将单体电池放在一钢制的夹具中，用φ3mm～φ8mm的钢钉从垂直于电池极板的方向贯穿(钢针停留在电池中)，持续90min，或电池表面温度稳定(45min内温差≤2℃)时停止试验。

(3)重物冲击：将单体电池放置于一钢性平面上，用直径15.8mm的钢棒平放在电池中心，钢棒的纵轴平行于平面，让重量9.1kg的重物从610mm高度自由落到电池中心的钢棒上;单体电池是圆柱形时，撞击方向垂直于圆柱面的纵轴;单体电池是方形时，要撞击电池的宽面和窄面，每只电池只能接受一次撞击。

(4) 机械冲击;将电池或电池组采用刚性固定的方法(该方法能支撑电池或电池组的所有固定表面)将电池或电池组固定在试验设备上。在三个互相垂直的方向上各承受一次等值的冲击。至少要保证一个方向与电池或电池组的宽面垂直，每次冲击按下述方法进行：在最初的3ms内，最小平均加速度为735m/s2，峰值加速度应该在1225 m/s2和1715 m/s2之间。

(5) 振动：将电池或电池组直接安装或通过夹具安装在振动台面上进行振动试验。试验条件为频率10Hz～55Hz，加速度29.4 m/s2，XYZ每个方向扫频循环次数为10次，扫频速率为1oct/min。

(6)自由跌落：将单体电池或电池组由高度(最低点高度)为600mm的位置自由跌落到水泥地面上的20mm厚的硬木板上，从XYZ三个方向各一次。自由跌落结束后。

4、环境适应性

(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，应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。

(3)低气压：(UL标准)。