鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:446次 | 2023年06月14日
電池材料的選擇以及加工流程
鋰離子電池原材料資源的開采、生產(chǎn),重要有鋰離子資源、鈷資源和石墨。
能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性、循環(huán)壽命是動(dòng)力鋰離子電池的5個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),三元材料,錳酸鉀與磷酸鐵鋰離子任何一個(gè)在這5個(gè)方面都不具有絕對(duì)優(yōu)點(diǎn),導(dǎo)致動(dòng)力鋰離子電池極材料路線的差異。
一款電池的設(shè)計(jì)要首先從材料的選擇開始,要根據(jù)目標(biāo)需求,例如能量密度、倍率特性、循環(huán)壽命和安全等指標(biāo),選擇適宜的材料。正極材料選擇方面,我們可以選擇橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4,這種材料更加適合應(yīng)用在對(duì)能量密度需求不高的大巴車上,此外還有高容量的層狀材料,例如NCM和NCM,這些材料更加適合應(yīng)用在純電動(dòng)汽車上,尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMN2O4則更加適合應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車上。
負(fù)極材料方面,石墨一直是鋰離子電池負(fù)極材料的不二選擇,事實(shí)上假如只考慮能量密度的話,金屬錫更適合作為負(fù)極材料。
為了改善正負(fù)極的導(dǎo)電性,通常還要在其中添加少量的導(dǎo)電劑,目前最常見的導(dǎo)電劑為炭黑類材料,碳纖維類材料,以及近幾年興起的碳納米管和石墨烯類材料。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
此外,為了將電極粘附在集流體的表面還要添加1-4%的粘結(jié)劑,目前的粘結(jié)劑重要分為兩大類一類是油系粘結(jié)劑,另一大類是水系粘結(jié)劑。
電池的四個(gè)部件非常關(guān)鍵:正極(放電為陰極),負(fù)極(放電為陽(yáng)極),電解質(zhì),膈膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方,重要地位可以理解。但是電解質(zhì)有啥么用處?做功還很占重量。
電池內(nèi)部,金屬鋰離子在負(fù)極失去電子被氧化,成為鋰,通過(guò)電解質(zhì)向正極轉(zhuǎn)移;正極材料得到電子被還原,被正極過(guò)來(lái)的鋰中和。電解質(zhì)的理想用途,是運(yùn)送且僅運(yùn)送鋰。電池外部,電子從負(fù)極通過(guò)外界電路轉(zhuǎn)移到正極,中間進(jìn)行做功。理想情況下,電解質(zhì)應(yīng)該是好的鋰的載體,但絕不能是好的電子載體。因此在沒(méi)有外界電路時(shí),電子無(wú)法在電池內(nèi)部從負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極;只有存在外界電路時(shí),電子轉(zhuǎn)移才能進(jìn)行。
單體電池的加工
第一步,單體電極的加工
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
混:將電極活性材料、粘結(jié)劑、溶劑等混合在一起,充分?jǐn)嚢璺稚⒑螅纬蓾{料。
涂:將制備的漿料以指定厚度均勻涂布到集流體(鋁箔或銅箔等)上。
烘:高溫烘烤干燥處理。
混和烘是有聯(lián)系的,烘是為了更好的將混合的漿料固定在鋁箔或銅箔上,而烘流程是一個(gè)高耗能環(huán)節(jié),如能改善該環(huán)節(jié),即可降低鋰離子電池的正負(fù)極加工成本。
鋰離子電池的勻漿是鋰離子電池加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),勻漿環(huán)節(jié)重要是將活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等成分混合成為均勻的懸濁液,通常我們會(huì)首先將粘結(jié)劑分散成為膠液,然后有一些工藝會(huì)首先將導(dǎo)電劑與膠液分散成為導(dǎo)電膠,然后與活性物質(zhì)混合。
有的工藝會(huì)將導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑一起與膠液進(jìn)行混合,勻漿的關(guān)鍵在于怎么將漿料中的各個(gè)成分分散均勻,為了達(dá)到這一目標(biāo)要對(duì)勻漿工藝進(jìn)行優(yōu)化,目前重要的勻漿工藝重要分為干法勻漿和濕法勻漿,目前隨著納米材料的逐漸普及,目前廠鋰離子電池廠家也開始采用高速分散設(shè)備,利用高速剪切用途,使得漿料分散的更加均勻,此外有也不少材料廠家開發(fā)了大量的改善漿料分散行的助劑。
第二步,單體電池的加工
在完成了上述的電極烘干過(guò)程后,我們就進(jìn)入到了鋰離子電池加工的下一個(gè)環(huán)節(jié)單體電池的加工。
壓:輥壓是對(duì)已涂好的正負(fù)極材料進(jìn)行軋壓使其壓實(shí)更好的依附在鋁箔或銅箔上。
切:分切是對(duì)已軋壓好的極片按工藝標(biāo)準(zhǔn)分切成條。
為了預(yù)防烘干后的電極再次吸收水分,整個(gè)單體電池加工環(huán)節(jié)都要在干燥間內(nèi)進(jìn)行。
方形動(dòng)力鋰離子電池電芯的加工工藝重要有三大類,一種是卷繞工藝,這種工藝一般應(yīng)用在圓柱形電池的加工上,目前也應(yīng)用在方形電池的加工工藝上,這種工藝的重要優(yōu)點(diǎn)是加工效率高,可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)加工,缺點(diǎn)也很明顯,由于電芯邊緣處彎曲角度比較大,因此容易發(fā)生電極破碎,出現(xiàn)缺陷,特別是在厚電極的情況下,這一問(wèn)題將變的更加嚴(yán)重;
第二種是疊片工藝,疊片工藝是一種比較理想的工藝,正負(fù)極極片首先會(huì)進(jìn)行沖切,獲得特定形狀的極片,然后選擇正極或者負(fù)極極片用隔膜制成封裝袋進(jìn)行保護(hù),然后手工或者疊片機(jī)進(jìn)行疊片,這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引起極片形變,可以采用更厚的電極,但是由于疊片過(guò)程是一個(gè)非持續(xù)的過(guò)程,因此疊片工藝的加工效率比較低,采用這種工藝的廠家比較少;
第三種是Z型疊片工藝,這種工藝采用持續(xù)隔膜,將沖切好的正負(fù)極極片放置在隔膜中間,這種工藝在保留了疊片工藝的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,也加速了加工過(guò)程,提高了加工效率,目前也有比較多的應(yīng)用。
加工好的電芯首先要焊接極耳,極耳焊接方式重要是采用超聲焊接工藝,采用卷繞工藝加工的電芯,受到電芯結(jié)構(gòu)的限制單個(gè)電芯無(wú)法做的很厚,因此通常會(huì)將2-4個(gè)電芯并聯(lián)焊接極耳,疊片工藝加工的電池結(jié)構(gòu)上沒(méi)有限制,因此一般都是單個(gè)電芯焊接極耳。下一步就到了入殼工序,焊接好極耳的電芯外表裹上保護(hù)膜后,裝入到電池外殼之中,入殼后要把極耳與電池殼的蓋子上的正負(fù)極極柱采用超聲焊、鉚接等工藝連接在一起,然后將電池的上蓋和外殼通過(guò)激光焊接焊在一起。
在完成焊接后,通常還要進(jìn)行檢漏,并將其中漏率不合格的電池剔除,常見的檢漏辦法包括直壓、倍壓和差壓等辦法,良好的密封性是保證鋰離子電池性能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵,因此電池檢漏也是方形動(dòng)力鋰離子電池加工中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。
經(jīng)過(guò)檢漏篩選的電池接下來(lái)就到了非常重要的注液工序,由于鋰離子電池的電解液對(duì)水分十分敏感,因此注液過(guò)程必須在干燥間內(nèi)部進(jìn)行,為了改善電解液的浸潤(rùn)效果,通常要進(jìn)行真空注液。
電解液充分浸潤(rùn)的電池隨后進(jìn)入到了化成工序,化成重要是通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行小電流的充放電,對(duì)電池進(jìn)行活化。
此外,由于電解液分解過(guò)程中通常會(huì)發(fā)加工氣的問(wèn)題,出現(xiàn)的氣體可能會(huì)積累在電芯內(nèi),導(dǎo)致電解液浸潤(rùn)不充分,因此有的廠家為了將化成過(guò)程中的產(chǎn)氣排出,也會(huì)將電池封口安排在化成之后。
化成后的電池還要進(jìn)行老化,所謂的老化就是將滿電態(tài)的電池在一定的溫度下進(jìn)行擱置,擱置過(guò)程中由于鋰離子電池內(nèi)部的一些副反應(yīng),會(huì)導(dǎo)致電池的外電壓和內(nèi)阻的變化,通過(guò)對(duì)電池包的電壓、內(nèi)阻和容量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控,能夠剔除掉那些自放電不合格和內(nèi)阻不合格的電池,以提高單體電池的一致性,同時(shí)老化結(jié)果也是后續(xù)的電池包匹配的重要參考依據(jù),為了加速電池老化的速度,提高加工效率,廠家通常會(huì)在高溫(50-60℃)下進(jìn)行老化,以縮短電池老化時(shí)間。