鉅大LARGE | 點擊量：742次 | 2024年01月10日
詳解扣式電池和軟包鋰電池組裝及性能測試分析
一.扣式電池基本介紹
鋰離子扣式電池重要由以下幾部分組成：正極殼、負極殼、（正/負）極片、隔膜、墊片、彈片、電解液。
常用的扣式電池的電池殼為CR2032、CR2025、CR2016等，C代表扣電體系，R代表電池外形為圓形。前兩位數字為直徑（單位mm），后兩位數字為厚度（單位0.1mm），取兩者的接近數字。例如CR2032的大略尺寸為直徑20mm，厚度3.2mm。
1.1 電池殼
極片的制備工藝對電化學性能能否充分發(fā)揮有重要影響，我們會在2.1中重點講解，此處簡要介紹。下圖為正極材料所制備的極片。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
正負極極片的制備流程相同，差別在于正極涂布在鋁箔上，負極涂布在在銅箔上，這是為何呢？
首先，兩者的導電性都相對較好，質地比較柔軟，價格也相對較低。
其次，鋁本身比較活潑，在低電位下，鋁會出現嵌鋰，生成鋰鋁合金，不宜作為負極的集流體。假如使用鋁箔作為負極的集流體，鋁會和鋰形成合金，然后粉化，嚴重影響電池的壽命和性能。
最后，銅在高電位下容易氧化，不宜作為正極的集流體，銅表面的氧化層屬于半導體，電子導通，氧化層太厚時，阻抗會新增。同時鋰不會與同在地點為下形成嵌鋰合金。
什么樣的極片才是好極片？
應該滿足這幾方面：（1）漿料涂布均勻，觀察不到明顯的厚度不均勻，特別薄的地方甚至能觀察到亮色的鋁箔；（2）極片保持完整圓形未受損壞，周圍盡量沒有毛刺；（3）極片涂布區(qū)域沒有顆粒物并且沒有明顯的掉粉現象。
1.3 隔膜
實驗室所用隔膜一般為Celgard2400或者Celgard系列其他產品，沖壓成小圓片后使用，直徑略大于正負極極片?？梢愿鶕姵匦阅芤蟛煌x擇隔膜，有關隔膜的選擇和參數，請見后期有關鋰離子電池隔膜的選擇以及參數意義的介紹。
隔膜的用途是什么呢？
簡單的說，假如沒有隔膜，正負極就直接接觸，也就是會發(fā)生短路，這也就是為何有的電池中要抑制鋰枝晶的出現，就是防止其刺破隔膜，引起局部短路，而造成安全事故。隔膜一般采用聚乙烯等高分子材料，不導電，其結構中有許多微孔，允許鋰離子通過,雖然它是絕緣體，但不允許電子通過的說法并不準確。
1.4 鋰片（即負極片）
負極片直徑略小于負極殼直徑，CR2032的鋰片直徑為15.8mm，對應的正極片也是15.8mm。值得注意的是：鋰片比較柔軟，容易變形，所以在裝電池前可以用正極殼（因為它比較大）將變形的鋰片壓平整。而且金屬鋰在空氣中極易氧化變質，遇水容易爆炸，所以購買回來的金屬鋰片要在手套箱中打開，打開時注意，不要損壞手套。
1.5 墊片
墊片為圓形的鋁片，直徑與鋰片大小相同，實驗中，可以根據需求購買不同規(guī)格和厚度等。
注意：墊片、正負極殼等組件，在使用前要用酒精反復超聲清洗，然后鼓風干燥箱烘干
1.6 彈片（支撐片）
彈片重要是起到支撐電池的用途，假如沒有彈片，在壓電池的步驟中會把電池壓的很扁，內部組件可能被壓壞。彈片只在負極側加，但是若正負極都加了彈片，壓電池步驟中不能將扣電封閉，導致電解液與空氣接觸，而實驗失敗。
1.7 電解液
不同的材料一般對應不同的電解液，在進行時實驗時千萬不要圖省事將就，小批量的電解液可以找公司索要，一般都會給。個別特殊的電解液，如低溫電解液等，可能要購買，價格還不低。
二.扣式電池的組裝
2.1正極片的制備
極片的制備重要分為兩個步驟：（1）漿料的制備；（2）涂布、干燥、壓片等步驟。
2.1.1漿料的制備（以磷酸鐵鋰為例）
溶劑
正極材料
導電劑
粘結劑
N-甲基吡咯烷酮（NMP）
磷酸鐵鋰
SuperP
聚偏二氟乙烯（PVDF）
漿料由溶劑、正極材料、導電劑和粘結劑組成。
實驗室一般采用正極材料：導電劑：粘結劑的質量比為80：10：10。當然，這個比例可以自由調節(jié)，但調整過程要大量的試錯。但一般來說，正極材料不低于75，導電劑和粘結劑不低于5。有時候為了達到高倍率性能，有報道中導電劑比例有達到40的情況。
若制備的正極材料較少，可以將三種物質按比例混合，用吸管假如逐滴假如NMP，然后小研缽中研磨，這個過程中要注意溶劑NMP的量，若NMP加入的過多，可以在紅外紅燈下適當烘干。
活性物質較多時，取0.4g活性物質，相應的導電劑和粘結劑的量為0.05g，使用20*20或者20*40規(guī)格的稱量瓶，先后加入NMP、活性物質、導電劑和粘結劑，加入次序影響最最終片的制備質量。根據《扣式鋰離子電池的制備工藝研究》以及一些研友的實驗相關經驗，按以下次序添加各物質，效果最好。
NMP和PVDF溶液的配制
首先，配制NMP和PVDF的溶液，這樣在每次配制漿料時能節(jié)省很多時間，可以配制0.02g/ml、0.025g/ml和0.03g/ml的三種，選擇合適自己材料的濃度使用。配制方法很簡單，只要將兩種物質在廣口瓶中混合就行，通過磁力攪拌，溶液中沒有白色物質就行。要注意的是：配制結束后，廣口瓶要通過封口膠密封，因為NMP容易吸水或者變質。
漿料的配置步驟：
第一步：用移液槍量取2ml的0.025g/ml的NMP/PVDF溶液，放入D15攪拌子進行磁力攪拌；
第二步：稱取0.05g導電劑SuperP緩慢加入稱量瓶中，攪拌20min。加入過程中盡量不要使導電劑碰到上側瓶壁，更不要因為加入的太快而使導電劑散出稱量瓶。
第三步：稱取0.4g活性物質，加入稱量瓶中。注意事項同上，加入后攪拌4-5小時，攪拌時間不固定，以漿料粘稠狀態(tài)為準。
另有報道，在磁力攪拌后，進行15min的超聲攪拌，性能更好。
何種漿料狀態(tài)為最好？
一般來說，輕輕晃動稱量瓶，混合物既不是粘度很高無法流動，又不是像水相同易動而不掛壁即可。太稠可以加入一滴NMP繼續(xù)攪拌一會兒，一般一滴就足夠了。太稀可以將稱量瓶放入鼓風干燥箱烘干一會兒。
也可使用王琦師兄的配料方式，不過這種方式耗時較長。
注意：第二三步的順序盡量不要顛倒。
2.1.2 極片的涂布
一般使用刮刀和流延涂覆機，進行涂布，正極材料涂布在鋁箔上，負極涂布在銅箔上。沒有涂覆機的同學可以使用玻璃板和刮刀進行涂布。涂布過程比較簡單，但是要注意以下幾點
（1）鋁箔要平整，要盡可能的減少褶皺；（2）涂布前要用酒精和脫脂棉仔細清潔鋁箔和涂覆機平臺；（3）脫脂棉清潔后要用衛(wèi)生紙小心清潔一次，一來去掉可能存在的棉絮二來不要劃傷鋁箔。
2.1.3極片的干燥和壓片
之所以要單列一節(jié)，是因為這是個要嚴格執(zhí)行的過程，但是干燥溫度可以有變化。另外,極片質量的好壞可以用掉粉程度來衡量,若掉粉容易,電池在循環(huán)過程中,活性物質會從鋁箔上脫落,溶解在電解液里,隔膜會被染黑。
干燥的目的在于去除漿料中大量的溶劑NMP以及其中的水分，所以要經過鼓風干燥和真空干燥兩個步驟。每個步驟的具體溫度和時間，不同工作中有不同的報道，但要注意：
（1）干燥NMP的溫度不要太高，但由于溶劑太多，要較多的熱量，所以干燥時間較長；
（2）由于水的沸點是100℃，所以鼓風干燥的溫度要較高，但由于水分含量較少，干燥時間可以縮短，在鼓風干燥時，可以設置兩個溫度段，每個溫度時間不同，最高溫度可以設置為100℃。另外負極的干燥溫度應低于正極，有時候出現銅箔氧化的現象；
注意：干燥溫度過高和時間過長，會出現嚴重的掉粉行為，有關鼓風干燥的溫度，正極不應超過120℃，負極不超過90℃。
（3）鼓風干燥后，要經過真空干燥，溫度一般設定為120℃，時間10小時左右。但不可以不經過鼓風干燥直接進行真空干燥，這樣操作會導致NMP充滿于真空干燥箱內，而使干燥效果不好。不經過真空干燥也是可以的，但是有條件的最好不要省略這個步驟。
2.1.4壓片
涂布后，干燥出的復合材料涂層比較疏松。若直接使用，被電解液浸潤后容易脫落損壞?？刹捎脤仚C或者壓片機等進行壓片處理，對輥機一般可將正極片涂層壓制到15-60μm。壓片機可以采用大約80-120kg/cm2壓強進行壓制。壓片后的電極，穩(wěn)定性、牢固性以及電化學性能都獲得了改善，測試表現要好于不壓片的樣本。壓片重要目的有兩個：一是為了消除毛刺，使表面光滑、平整，防止裝電池時毛刺刺破隔膜引起短路；二是增強極片的強度，減小歐姆阻抗。壓力過大會引起極片的卷曲，不利于電池裝配，壓力過小又起不到壓片的用途。
2.1扣式電池的組裝
2.1.1必備物品：
手套箱內：壓片機(最好帶數顯)、鑷子2把（至少有一把是塑料鑷子）、藥匙1把、電解液、鋰片、磨口玻璃瓶(配膠頭滴管)、注射器、干燥紙巾等清潔用品；
手套箱外：扣式電池殼、集電器、彈簧片（或泡沫鎳）、正極片、隔膜片；
注意：電池組裝部件在放入手套箱中之前，要進行4小時左右的真空干燥處理，溫度不宜太高，可以設置在60-80℃溫度。容量較大的手套箱可事先這些存儲電池部件，更清潔。原料入進箱艙門后，嚴格按照操作規(guī)程進行排氣-進氣操作，至少三次。建議在手套箱內專門放一個小型操作臺，以防試劑腐蝕手套箱。電解液關于手套和手套箱內壁的腐蝕比較嚴重，應該盡量防止操作失誤。
2.1.2確定水氧含量
一般的手套箱都有水氧含量的數顯檢測儀，布萊恩的手套箱水氧含量可以控制在低于0.05PPM，但不同手套箱的標準不盡相同。組裝電池的過程，都在已經嚴格進行了排氣-進氣操作的手套箱中，嚴格隔絕任何可能的氧化、潮濕等干擾。若手套箱的水氧含量一直較高，應該檢查手套是否破損或者對手套箱進行再生。
2.1.3組裝過程
扣式電池組裝次序重要有兩種，我們實驗室一般習慣從負極殼開始，但也可以從正極殼開始，這個沒有對錯之分，全看個人習慣。
|負極殼|彈片|墊片丨鋰片丨電解液|隔膜|電解液|正極片|墊片丨正極殼|
正極殼開口面向上，平
放于玻璃板上
無需說明
2、用鑷子將墊片和正極片依次置入正極殼，正極片位于正中
用鑷子將墊片置入正極殼，有毛刺的一面朝下，然后小心夾取正極片，將涂布層向上，放于正極殼的正中間。這一步驟應該反復練習，確保鑷子夾取的力度合適，不會損傷正極片，嚴防彎折或者扭曲正極片，保持平整的放在正極殼中
3、采用膠頭滴管或注射器吸取電解液，浸潤正極片表面
用極細的玻璃滴管酌量吸取電解液，此過程以完整均勻的潤濕電極片表面為目標。注意在潤濕的過程中，滴管/針頭和電極片一定不能碰觸
4、夾取隔膜，覆蓋正極片
用鑷子夾取隔膜，由于裁剪的隔膜和電池殼內部直徑一致，恰好可以裝進電池正極殼中。這一步尤其要小心，不要使隔膜提前接觸到電解液，應該將隔膜先對準電池殼邊緣，緩緩退出鑷子，均勻覆蓋下
5、再次使用膠頭滴管/注射器吸取電解液，潤濕隔膜表面。
由于隔膜是惰性且潔凈的物質，這時可以使用滴管前端輕輕碰觸隔膜，使之更加平整，均勻，邊緣與電池殼接觸更為嚴密。盡量防止隔膜的褶皺
6、夾取鋰片放置于隔膜正中
鋰片半徑為15.8mm，應當恰好放于電池殼中間，這是最難的一步，必須一次成功。因為鋰片和電解液、隔膜會出現粘附，假如放不準，調整非常困難。也就意味著此次模擬電池組裝的失?。ㄆ鋵嵰膊灰欢?，多滴加一點電解液，就可以進行微調）
7、夾取墊片置于鋰片上，嚴格對齊
這一步的墊片假如略微放偏，可以進行小心的調整
8、夾取彈片置于墊片上，嚴格對齊
所有步驟都盡量用鑷子操作。如不慎放偏，這一步也可以進行微調。此前的步驟中，假如部件的放置位置出現偏差，都可以用雙手各拿一把鑷子，配合進行輕微的調整，鑷子不方便使用時，可使用藥匙
9、鑷子夾取負極殼覆蓋
無需說明
三.一些問題出現的原因
電池組裝后，在測試時會出現一些問題，以下是可能遇到的問題以及部分解釋
3.1開路電壓低的原因
（1）極片的毛刺穿破隔膜，造成電池短路；
（2）電池裝配過程中，正負極偏移，導致短路；
（3）壓電池步驟出錯，導致電池裝配不緊密，電池正負極外殼與正負極片虛接，造成短路。
3.2電化學阻抗大
（1）導電劑添加量不夠；
（2）隔膜的孔隙率小，使得電解液中的鋰離子不能能夠順利通過；
（3）電解液分解，其中的鋰鹽減少。
電池的組裝是一個熟能生巧的過程，前一兩次裝壞幾個電池是一件很正常的事，不要灰心。
二，軟包電池
軟包電芯，其實就是使用了鋁塑包裝膜作為包裝材料的電芯。相對來說，鋰離子電池的包裝分為兩大類，一類是軟包電芯，一類是金屬外殼電芯。金屬外殼電芯又包括了鋼殼與鋁殼等等，近年來由于特殊要有的電芯采用塑料外殼的，也可以劃為此類。
二者的差別除了外殼材料不同，決定了其封裝方式也不同。軟包電芯采用的是熱封裝，而金屬外殼電芯一般采用焊接(激光焊)。軟包電芯可以采用熱封裝的原因是其使用了鋁塑包裝膜這種材料。
鋁塑包裝膜
鋁塑包裝膜(簡稱鋁塑膜)的構成見圖，其截面上來看有三層構成：尼龍層、Al層與PP層。
三層各有各的用途，首先尼龍層是保證了鋁塑膜的外形，保證在制造成鋰離子電池之前，膜不會發(fā)生變形。
Al層就是一層金屬Al構成，其用途是防止水的滲入。鋰離子電池很怕水，一般要求極片含水量都在PPM級，所以包裝膜一定能夠擋住水氣的滲入。尼龍不防水，無法起到保護用途。而金屬Al在室溫下會與空氣中的氧反應生成一層致密的氧化膜，導致水氣無法滲入，保護了電芯的內部。Al層在鋁塑膜成型的時候還供應了沖坑的塑性，這個詳見第3點。
PP是聚丙烯的縮寫，這種材料的特性是在一百多攝氏度的溫度下會發(fā)生熔化，并且具有黏性。所以電池的熱封裝重要靠的就是PP層在封頭加熱的用途下熔化黏合在一起，然后封頭撤去，降溫就固化黏結了。
鋁塑膜看上去很簡單，實際做起來，如何把三層材料均勻地、牢固地結合在一起也不是那么容易的事。很遺憾的是，現在質量好的鋁塑膜基本上都是日本進口的，國產的不是沒有，但質量還有待改進。
鋁塑膜成型工序
軟包電芯可以根據客戶的需求設計成不同的尺寸，當外形尺寸設計好后，就要開具相應的模具，使鋁塑膜成型。成型工序也叫作沖坑(其實個人覺得應該是銃坑，但大家都這么寫就隨俗吧)，顧名思義，就是用成型模具在加熱的情況下，在鋁塑膜上沖出一個能夠裝卷芯的坑，具體的見下圖。
鋁塑膜沖好并裁剪成型后，一般稱為Pocket袋，見下圖所示。一般在電芯較薄的時候選擇沖單坑(下圖左)，在電芯較厚的時候選擇沖雙坑(下圖右)，因為一邊的變形量太大會突破鋁塑膜的變形極限而導致破裂。
有時候根據設計的要，會在氣袋的位置再沖一個小坑，以擴大氣袋的體積。
頂側封工序
終于講到正題了(你是跑題有多厲害!)，頂側封工序是軟包鋰離子電芯的第一道封裝工序。頂側封實際包含了兩個工序，頂封與側封。首先要把卷繞好的卷芯放到沖好的坑里，然后沿虛線位置將包裝膜對折，如下圖所示。
下面這種圖是鋁塑膜裝入卷芯后，要封裝的幾個位置，包括頂封區(qū)、側封區(qū)、一封區(qū)與二封區(qū)。下面分別進行介紹。
把卷芯放到坑中之后，就把整個鋁塑膜可以放到夾具中，在頂側封機里進行頂封與側封了。頂側封機是這樣子的：
圖中這種型號的頂側封機帶四個夾具，左邊那個工位是頂封，右邊那個工位是側封。那兩塊黃色的金屬是上封頭，下面還有一個下封頭，封裝的時候兩個封頭帶有一定的溫度(一般在180℃左右)，合攏時壓在鋁塑膜上，鋁塑膜的PP層就熔化然后黏結在一起了，這樣就封裝OK了。
側封沒有什么太多好說的(邊電壓神馬的扯得太遠就不講了)，重要來說說頂封，頂封區(qū)域的示意圖如下圖所示。頂封是要封住極耳的，極耳是金屬(正極鋁，負極鎳)，怎么跟PP封裝到一起呢?
這就要靠極耳上的一個小部件極耳膠來完成了。極耳膠具體的結構我不是很清楚，希望有懂行的人來補充。我只了解它也有PP的成本，也就是說在加熱時能夠熔化黏結。在極耳位的封裝見下圖中圓圈部分所示。封裝時，極耳膠中的PP與鋁塑膜的PP層熔化黏結，形成了有效的封裝結構。
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