什么是锂离子电池组装工艺和技术

什么是锂离子电池组装工艺和技术？

如何根据电池的结构设计和设计参数，制备选定的电池材料并将其有效组合在一起，组装出符合设计要求的电池，是电池生产工艺要解决的问题。由此可见，电池生产工艺是否合理是组装电池是否达到设计要求的关键，是影响电池性能最重要的一步。

参考AA型Cd/Ni和MH/Ni电池的生产工艺，结合AA型锂离子电池的结构设计和锂离子电池材料的性能特点，反复试验确定生产工艺AA型锂离子电池。

AA型锂离子电池的生产过程包括四个过程：
①正负极板的制备；
② 电芯的绕组；
③组装；
④密封。

这与传统的AA型Cd/Ni电池生产工艺没有太大区别，但在技术上，锂离子电池要复杂得多，对环境条件的要求也严格得多。锂离子电池的制造工艺技术非常严格和复杂。

其中，正负极浆料的制备、正负极的涂敷、干燥、压延、电池的卷绕对电池性能的影响最大，是整个过程中最关键的步骤。锂离子电池制造技术。下面简要介绍这些过程。

为了防止金属锂在负极的铜部分析出，造成安全问题，需要改进极片的工艺，需要在铜箔两面涂上碳浆。

锂离子电池工艺流程的主要步骤如下。

①制浆用专用溶剂和粘结剂将粉状正负极活性物质混合，高速搅拌均匀，制成浆状正负极材料。

②涂胶：将配制好的浆料均匀涂在金属缩孔表面，晾干，分别制成正负极片。

③按照正极片、隔膜、负极片、隔膜从上到下的顺序组装。电芯通过缠绕而成，再经过注入电解液和封口的工序，完成电池的组装过程，制成成品。电池。

④化成 用专用电池充放电设备对成品电池进行充放电试验。每个电池都经过测试，合格的成品电池在出厂前被筛选出来。

1.1制浆

将特殊的溶剂和粘结剂与粉状正负极活性物质按一定比例混合，经高速搅拌后制成浆料。锂离子电池常用的粘合剂有聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯。

在整个制浆过程中，电极活性物质、导电剂和粘结剂的制备是最重要的环节。下面以钴酸锂为正极活性物质，石墨为负极为例，介绍一些成分的基本知识。

一般情况下，电极由活性物质、导电剂、粘结剂和铅组成。不同的是正负极材料的粘结剂种类不同，负极材料需要加入添加剂。添加剂的加入主要是为了提高结合剂。附着力等

配料工艺实际上是将浆料的各组分按标准比例混合，配制浆料，以利于均匀涂布，保证极片的均匀性。配料大致包括五个过程，即原料的预处理、混合、浸泡、分散和絮凝。

(1)正极成分

①原料理化性质

A。钴酸锂：非极性物质，形状不规则，粒径D50一般为6~8μm，含水量≤0.2%，通常呈碱性，PH值为10~11。
锰酸锂：非极性物质，形状不规则，粒径D50一般为5~7μm，含水量≤0.2
%，通常呈弱碱性，pH值约为8。

b. 导电剂：非极性物质，葡萄链，含水量3%~6%，吸油值300左右，
粒径一般为2~5μm；主要有普通炭黑、超导炭黑、石墨乳等。在大量应用中，一般选用超导炭黑与石墨乳复配；通常是中性的。

C。PVDF粘结剂：非极性物质，链状物质，分子量30万～300万；吸水后分子量降低，粘度变差。

d. NMP（N-Methylpyrrolidone）：弱极性液体，用于溶解/溶胀PVDF，同时作为溶剂稀释浆料。

②原料预处理

A。钴酸锂：脱水。一般采用120℃常压烘烤2h左右；

b. 导电剂：脱水。一般采用200℃常压烘烤2h左右；

C。粘合剂：脱水。一般采用120~140℃常压烘烤2小时左右，烘烤温度视分子量而定；

d. NMP：脱水。使用干分子筛脱水或使用专用回收设施直接使用。

③ 原料调配

A。结合剂溶解（按标准浓度）和热处理；

b. 钴酸锂和导电剂球磨：先将粉体混合，使钴酸锂和导电剂结合在一起，提高其团聚性和导电性。混入浆料后，不会单独分布在粘结剂中。球磨时间一般为2h左右；为避免混入杂质，通常采用玛瑙球作为研磨介质。

④干粉的分散润湿

当固体粉末置于空气中时，随着时间的推移，它会吸收固体表面的部分空气。加入液体结合剂后，液体和气体会竞争从固体表面逸出；对液体的吸附力强，液体不能润湿固体；如果固体和液体的吸附力强于气体的吸附力，则液体可以润湿固体并挤出气体。

当润湿角小于或等于90°时，固体被润湿。
当润湿角>90时，固体不润湿。
正极材料中的所有成分都可以被粘结剂溶液润湿，因此正极粉体比较容易分散。

分散方式对分散的影响：静态法（分散时间长，效果差，但不破坏材料原有结构）；搅拌方式自转或自转加公转（时间短，效果好，但可能会破坏个别物料本身的结构）。

搅拌桨对分散速度的影响。搅拌桨一般有蛇形、蝴蝶形、球形、桨形、齿轮形等。一般采用蛇形、蝶形、桨形​​搅拌桨叶来处理初期阶段的物料或配料难以分散；球形和齿轮形用于分散难度低的状态，效果好。

搅拌速度对分散速度的影响。一般来说，搅拌速度越高，分散速度越快，但对物料结构和设备的破坏越大。

浓度对分散速度的影响。一般情况下，浆料浓度越小，分散速度越快，但浆料太稀会造成材料浪费，加剧浆料沉淀。

浓度对结合强度的影响。浓度越大，结合强度越大；浓度越低，结合强度越低。

真空度对分散速度的影响。高真空有利于气体从物料间隙和表面排出，降低液体吸附难度；在完全失重或重力降低的情况下，物料均匀分散的难度将大大降低。

温度对分散速度的影响。在合适的温度下，浆料流动性好，易于分散。太热的浆料容易结皮，太冷的浆料流动性会大大降低。

⑤稀释

将浆料调整到合适的浓度，以便于涂布。

(2) 负面成分

原理与正极成分大致相同。

①原料理化性质

A。石墨：非极性物质，易被非极性物质污染，易分散于非极性物质中；不易吸水，不易分散于水中。受污染的石墨分散在水中后很容易重新团聚。通常，粒径D50约为20μm。颗粒形状多样，不规则，主要有球形、片状、纤维状等。

b. 水性粘合剂（SBR）：小分子直链乳液，易溶于水和极性溶剂。

C。抗沉淀剂（CMC）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。

d. 异丙醇：弱极性物质，可降低结合剂溶液的极性，提高石墨与结合剂溶液的相容性；具有很强的消泡作用；容易催化粘结剂的网络交联，提高粘结强度。

e. 乙醇：弱极性物质，加入后可降低结合剂溶液的极性，提高石墨与结合剂溶液的相容性；具有很强的消泡作用；容易催化粘结剂的线性交联，提高粘结强度（异丙醇和乙醇的作用本质上是一样的，大批量生产时可以考虑成本因素再选择哪种助剂）。

F。去离子水（或蒸馏水）：稀释剂，适当加入以改变浆料的流动性。

②原料预处理

A。石墨：将原料混合均匀后，再经300~400℃常压烘烤，去除表面油性物质，提高与水性结合剂的相容性，使石墨表面棱角圆润（部分材料为为了保持表面特性，不允许烘烤，否则会降低效率）。

b. 水性粘结剂：适当稀释，提高分散能力。

③调和、润湿、分散

A。石墨和粘合剂溶液的极性不同，不易分散。

b. 石墨可以预先用醇水溶液润湿，然后与粘合剂溶液混合。

C。应适当降低搅拌浓度，以提高分散性。

d. 分散过程是减小极性和非极性材料之间的距离并增加它们的势能或表面能。因此，它是一个吸热反应，在搅拌过程中整体温度下降。如果条件允许，应适当提高搅拌温度，使其更容易吸热，同时改善流动性，降低分散难度。

e. 搅拌过程，如加入真空脱气过程，去除气体，促进固液吸附，效果更佳。

F。其分散原理和分散方法与正极配料中的相关内容相同，上面已有详细论述，此处不再赘述。

④稀释

将浆料调至合适的浓度，便于涂装。

（三）配料注意事项

①防止混入其他杂质；

②防止浆料飞溅；

③浆料的浓度（含固量）应由高到低逐渐调节；

④间歇混合过程中注意刮边、刮底，保证分散均匀；

⑤浆料不宜久置，以免其沉淀或均匀度下降；

⑥待烘材料必须密封冷却后再加入，以免组分材料的性能发生变化；

⑦混合时间的长短根据设备性能和加入物料量的设计考虑；

⑧搅拌桨的使用在浆料分散时难以更换。如果无法更换，可将速度由慢调到快，以免损坏设备；

⑨出料前将浆料过筛，去除大颗粒，防止涂装时破损；

⑩ 加强配料人员培训，确保掌握专业技术和安全知识；

⑪配料的关键是要分散均匀，掌握中心，其他方法可以自行调整。

1.2 涂层

将配制好的浆料均匀涂布在金属箔表面，烘干，分别制备正负极片。将液体材料涂布在载体上的涂布方法大约有20种，每一种技术都有很多特殊的配置，因此有多种涂布方法可供选择。常用的涂布方式有挤出机涂布、反向辊涂和刮刀涂布。

在锂离子电池实验室的研究阶段，可采用刮刀、刮刀或挤压等简单的涂层实验装置对极片进行涂层，只能对少量的实验研究样品进行涂层。

与刀涂相比，缝模和逆向辊涂工艺在大型生产线上一般更受欢迎，因为它们易于处理不同粘度的正负浆料和改变涂布率，并且易于控制上的涂布的腹板厚度。这对于极片镀层厚度要求较高的锂离子电池生产非常有用，可以使镀层厚度偏差控制在±3μm以内。其中，辊涂有多种形式。按辊涂旋转方向可分为正向辊涂和反向辊涂两种。此外，还有3辊、4辊等10多种辊涂方式。

浆料涉及到电池的正负极，即活性物质涂敷在铝箔或铜箔上的问题。活性物质包覆的均匀性直接影响电池的质量。因此，极片浆料涂覆技术和装备是锂离子电池开发和生产的关键之一。

通常，选择涂布方法需要考虑以下几个方面，包括涂布层数、湿涂层厚度、涂布液的流变性、所需的涂布精度、涂层载体或基材、涂布速度等

极片浆料如何选择合适的涂布方式？

除了考虑以上因素外，还必须结合极片涂层的具体情况和特点进行综合分析。

电池极片涂层的特点是：双面单层涂层；较厚的浆料湿涂层（100～300μm）；浆料为非牛顿高粘度流体；与一般镀膜产品相当，极片镀膜精度要求高，与薄膜镀膜精度相近；将厚度为10-20μm的铝箔和铜箔涂布在支撑体上；与薄膜涂覆速度相比，极片涂覆速度并不高。

极片需要在金属箔的两面涂上浆料。涂装工艺路线决定选择单层涂装，另一方面干燥后再涂装。考虑到极片涂层属于厚涂层涂层。刮刀、刮刀、气刀涂布只适用于较薄的涂层，不适用于极片浆料涂布。涂布厚度受涂布浆料粘度和涂布速度的影响，难以进行高精度涂布。

综合考虑极片涂浆的各种要求，可采用挤涂或辊压。
挤出涂装可用于较高粘度流体的涂装，可获得较高精度的涂装。为获得均匀的涂层，采用狭缝挤出涂布，挤出喷嘴的设计和操作参数必须在一个合适的范围内，即必须在涂布技术中称为“涂布窗口”的临界条件范围内，可进行正常涂装。

设计需要有关涂料浆料流变性能的详细数据。一旦挤出喷嘴根据提供的流变数据进行设计和加工，当包衣浆料的流变性能发生较大变化时，可能会影响包衣精度。挤出包衣设备比较复杂，操作需要专业化。技术。

滚涂可用于极片浆料的涂布。辊涂有多种形式，按辊涂旋转方向可分为正向辊涂和反向辊涂两种。此外，还有3辊、4辊等10多种辊涂方式。使用哪种辊涂方法取决于各种浆料的流变性能。也就是说，设计的辊涂形式、结构尺寸、操作条件、涂布液的物理性能等条件必须在一个合理的范围内，即操作条件进入涂布窗口，才能获得优异的性能。.

极片浆料粘度极高，超过一般涂布液的粘度，且所需涂布量大，目前常规涂布方法无法均匀涂布。因此，需要根据极片浆料的流动机理，结合极片浆料的流变特性和涂覆要求，选择合适的极片浆料涂覆方法。

不同类型的锂离子电池所需要的每个极片的长度也不同。如果采用连续涂敷，再裁剪生产极片，组装电池时，需要刮掉每个极片一端的浆料涂层，露出金属箔。连续涂布定长分切的工艺路线效率低，不能满足最终规模化生产的需要。

因此，如果考虑采用定长分段涂布方式，在涂布时应根据电池规格要求的涂布量和毛坯长度进行分段涂布。以简单的机械装置难以实现不同电池规格所需长度的分段包覆。涂装头设计采用计算机技术，将极片涂装头设计为光、机、电一体化智能控制的涂装设备。操作参数在涂布前用键盘输入电脑，在涂布过程中由电脑控制，自动进行定长分段和双面重叠涂布。

极片浆料涂层较厚，涂布量大，干燥负荷大。普通热风对流干燥法或干燥机热传导干燥法等干燥方式效率低下，可采用优化的热风冲击干燥技术，提高干燥效率，干燥均匀快速。干燥后的涂层无外干内湿或表面皱纹等病症。

在极片涂装生产线中，从放卷到收卷，有涂装、烘干等多个环节。极片（基板）由多个传输点驱动。针对铝箔、铜箔极薄、刚性差、易撕裂、起皱等特点，在设计上采用特殊的技术装置，使极片在涂布区域保持平整，严格控制薄膜的张力梯度路径使整个电路的张力在安全范围内。在涂装线的传动设计中，宜采用直流电机智能调速技术，使涂装点和膜路速度保持稳定，从而保证涂装的纵向均匀性。

极片涂层的一般工艺流程如下：

放卷→拼接→牵引→张力控制→自动纠偏→涂布→烘干→自动纠偏→张力控制→自动纠偏→收卷

涂布后的基材（金属箔）从放卷装置排出到涂布机中。基材的头尾在拼接台连接成连续带，由牵引装置送入张力调节装置和自动纠偏装置，再进入涂布装置。极片浆料在涂敷装置中按照预定的涂敷量和毛坯长度进行涂敷。双面涂布时，自动跟踪正面长度和空白长度进行涂布。涂布好的湿极片送至烘道进行烘干，烘干温度根据涂布速度和涂层厚度设定。

1.3 分条

分条是根据不同的电池型号，将卷好的电极带裁剪成组装电池所需的长度和宽度，为组装做准备。

1.4 绕组

将正极片、负极片、隔膜依次放好后，在卷绕机上卷绕成电池。为了使电芯厚度均匀紧密地绕制，除了正负极板的涂布误差尽可能小外，还要求正负极板的剪切误差尽可能小，使正负极板尽量一致。所需的矩形。

另外，在绕制过程中，操作人员要及时调整正负极板和隔膜的位置，防止电芯厚薄不均，正反面松紧不均，负极板不能对正等。两侧的正极板，尤其是电池单元。短路情况的发生。卷绕要求隔膜和极片表面平整无皱纹，否则会增加电池的内阻。卷制后正反片或隔板的上下偏差均为δ<-0.5mm。卷绕松紧度必须满足松紧度设计要求，电芯容易包好但不能太松。

最后需要说明的是：除涂膜工艺外，其他工艺均在干燥室内进行，尤其是电芯电池卷绕包装后，必须在80℃的真空干燥箱中进行干燥大约 12 小时。, 将液体注入相对湿度为5%以下的手套箱中；注液后，电池必须放置至少6小时，待电极隔膜充分润湿后方可形成电极隔膜并进行循环。

1.5 组装

将正极片-隔膜-负极片-隔膜按照从上到下的顺序依次卷绕形成电芯，然后通过注入电解液和封口的过程完成电池的组装过程和制作成品电池。

1.6 编队

使用专用电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，筛选出合格的成品电池方可出厂。

锂离子电池的化成主要有两个作用：一是通过第一次充电将电池中的活性物质转化为具有正常电化学效应的物质；另一种是使电极主要是负极形成有效的钝化膜或SEI膜，为了在负极碳材料表面形成均匀的SEI膜，通常采用分步充放电的方法。在不同的阶段，充放电电流不同，储存的时间也不同。应根据所用材料和工艺路线来掌握。，通常形成的时间控制在24h左右。

负极表面的钝化膜在锂离子电池的电化学反应中对电池的稳定性起着重要作用。因此，除了材料和制造工艺被电池制造商列为机密外，化成条件也被列为企业制造电池的重要机密。电池在化成过程中，最初的几次充放电，由于电池的不可逆反应，会降低电池初期的放电容量。电池的电化学状态稳定后，电池容量就稳定了。

Therefore, some formation procedures include multiple charge and discharge cycles to achieve the purpose of stabilizing the battery. This requires battery testing equipment to provide multiple step settings and cycle settings. Taking the BS9088 device as an example, 64 step parameters can be set, and a maximum of 256 cycles can be set, and the cycle method is not limited; you can perform a small current charging and discharging cycle first, and then a high current charging and discharging cycle, and vice versa.