电池生产基础知识

电池生产基础知识

一、 原理
1.0 正极构造
LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔） 正极
2.0 负极构造
石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔） 负极
3.0工作原理
3.1 充电过程

如上图一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从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。
正极上发生的反应为
LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)
负极上发生的反应为
6C+XLi++Xe=====LixC6
3.2 电池放电过程

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，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。
二、 工艺流程

三、 电池不良项目及成因：
1.容量低
产生原因：
a. 附料量偏少； b. 极片两面附料量相差较大； c. 极片断裂；
d. 电解液少； e. 电解液电导率低； f. 正极与负极配片未配好；
g. 隔膜孔隙率小； h. 胶粘剂老化→附料脱落； i.卷芯超厚（未烘干或电解液未渗透）
j. 分容时未充满电； k. 正负极材料比容量小。
2.内阻高
产生原因：
a. 负极片与极耳虚焊； b. 正极片与极耳虚焊； c. 正极耳与盖帽虚焊；
d. 负极耳与壳虚焊; e. 铆钉与压板接触内阻大； f. 正极未加导电剂；
g. 电解液没有锂盐； h. 电池曾经发生短路； i. 隔膜纸孔隙率小。
3.电压低
产生原因：
a. 副反应（电解液分解；正极有杂质；有水）； b. 未化成好（SEI膜未形成安全）；
c. 客户的线路板漏电（指客户加工后送回的电芯）； d. 客户未按要求点焊（客户加工后的电芯）；
e. 毛刺； f. 微短路； g. 负极产生枝晶。
4.超厚
产生超厚的原因有以下几点:
a. 焊缝漏气; b. 电解液分解; c. 未烘干水分;
d. 盖帽密封性差; e. 壳壁太厚; f. 壳太厚;
g. 卷芯太厚(附料太多；极片未压实；隔膜太厚)。
5.成因有以下几点

a. 未化成好（SEI膜不完整、致密）； b. 烘烤温度过高→粘合剂老化→脱料； c. 负极比容量低；
d. 正极附料多而负极附料少； e. 盖帽漏气，焊缝漏气； f. 电解液分解，电导率降低。
6.爆炸
a. 分容柜有故障（造成过充）； b. 隔膜闭合效应差; c. 内部短路
7.短路

a. 料尘； b. 装壳时装破； c. 尺刮（小隔膜纸太小或未垫好）;
d. 卷绕不齐； e. 没包好； f. 隔膜有洞; g. 毛刺

8.断路
a) 极耳与铆钉未焊好，或者有效焊点面积小；
b) 连接片断裂（连接片太短或与极片点焊时焊得太*下）配料基础知识

配 料 基 础 知 识
一、 电极的组成：
1、 正极组成：
a、 钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池提高锂源。
b、 导电剂：提高正极片的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性。
提高正极片的电解液的吸液量，增加反应界面，减少极化。
c、 PVDF粘合剂：将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。
d、 正极引线：由铝箔或铝带制成。
2、 负极组成：
a、 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。
b、 导电剂：提高负极片的导电性，补偿负极活性物质的电子导电性。
提高反应深度及利用率。
防止枝晶的产生。
利用导电材料的吸液能力，提高反应界面，减少极化。
（可根据石墨粒度分布选择加或不加）。
c、 添加剂：降低不可逆反应，提高粘附力，提高浆料黏度，防止浆料沉淀。
d、 水性粘合剂：将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。
e、 负极引线：由铜箔或镍带制成。
二、 配料目的：
配料过程实际上是将浆料中的各种组成按标准比例混合在一起，调制成浆料，以利于均匀涂布，保证极片的一致性。配料大致包括五个过程，即：原料的预处理、掺和、浸湿、分散和絮凝。

三、 配料原理：
（一） 、正极配料原理
1、 原料的理化性能。
（1） 钴酸锂：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。
锰酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为5-7 μm，含水量≤0.2%，通常为弱碱性，PH值为8左右。
（2） 导电剂：非极性物质，葡萄链状物，含水量3-6%，吸油值~300，粒径一般为 2-5 μm；主要有普通碳黑、超导碳黑、石墨乳等，在大批量应用时一般选择超导碳黑和石墨乳复配；通常为中性。
（3） PVDF粘合剂：非极性物质，链状物，分子量从300，000到3，000，000不等；吸水后分子量下降，粘性变差。
（4） NMP：弱极性液体，用来溶解/溶胀PVDF，同时用来稀释浆料。
2、 原料的预处理
（1） 钴酸锂：脱水。一般用120 oC常压烘烤2小时左右。
（2） 导电剂：脱水。一般用200 oC常压烘烤2小时左右。
（3） 粘合剂：脱水。一般用120-140 oC常压烘烤2小时左右，烘烤温度视分子量的大小决定。
（4） NMP：脱水。使用干燥分子筛脱水或采用特殊取料设施，直接使用。
3、 原料的掺和：
（1） 粘合剂的溶解（按标准浓度）及热处理。
（2） 钴酸锂和导电剂球磨：使粉料初步混合，钴酸锂和导电剂粘合在一起，提高团聚作用和的导电性。配成浆料后不会单独分布于粘合剂中，球磨时间一般为2小时左右；为避免混入杂质，通常使用玛瑙球作为球磨介子。
4、 干粉的分散、浸湿：
（1） 原理：固体粉末放置在空气中，随着时间的推移，将会吸附部分空气在固体的表面上，液体粘合剂加入后，液体与气体开始争夺固体表面；如果固体与气体吸附力比与液体的吸附力强，液体不能浸湿固体；如果固体与液体吸附力比与气体的吸附力强，液体可以浸湿固体，将气体挤出。
当润湿角≤90度，固体浸湿。
当润湿角＞90度，固体不浸湿。
正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料分散相对容易。
（2） 分散方法对分散的影响：
A、 静置法（时间长，效果差，但不损伤材料的原有结构）；
B、 搅拌法；自转或自转加公转（时间短，效果佳，但有可能损伤个别
材料的自身结构）。
1、搅拌桨对分散速度的影响。搅拌桨大致包括蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。一般蛇形、蝶形、桨型搅拌桨用来对付分散难度大的材料或配料的初始阶段；球形、齿轮形用于分散难度较低的状态，效果佳。
2、搅拌速度对分散速度的影响。一般说来搅拌速度越高，分散速度越快，但对材料自身结构和对设备的损伤就越大。
3、浓度对分散速度的影响。通常情况下浆料浓度越小，分散速度越快，但太稀将导致材料的浪费和浆料沉淀的加重。
4、浓度对粘结强度的影响。浓度越大，柔制强度越大，粘接强度
越大；浓度越低，粘接强度越小。
5、真空度对分散速度的影响。高真空度有利于材料缝隙和表面的气体排出，降低液体吸附难度；材料在完全失重或重力减小的情况下分散均匀的难度将大大降低。
6、温度对分散速度的影响。适宜的温度下，浆料流动性好、易分散。太热浆料容易结皮，太冷浆料的流动性将大打折扣。
5、 稀释。将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。
（二）、负极配料原理（大致与正极配料原理相同）
1、 原料的理化性能。
（1） 石墨：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。被污染的石墨，在水中分散后，容易重新团聚。一般粒径D50为20μm左右。颗粒形状多样且多不规则，主要有球形、片状、纤维状等。
（2） 水性粘合剂（SBR）：小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。
（3） 防沉淀剂（CMC）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。
（4） 异丙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂网状交链，提高粘结强度。
乙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂线性交链，提高粘结强度（异丙醇和乙醇的作用从本质上讲是一样的，大批量生产时可考虑成本因素然后选择添加哪种）。
（5）去离子水（或蒸馏水）：稀释剂，酌量添加，改变浆料的流动性。
2、 原料的预处理：
（1） 石墨：A、混合，使原料均匀化，提高一致性。B、300~400℃常压烘烤，除去表面油性物质，提高与水性粘合剂的相容能力，修圆石墨表面棱角（有些材料为保持表面特性，不允许烘烤，否则效能降低）。
（2） 水性粘合剂：适当稀释，提高分散能力。
3、 掺和、浸湿和分散：
（1） 石墨与粘合剂溶液极性不同，不易分散。
（2） 可先用醇水溶液将石墨初步润湿，再与粘合剂溶液混合。
（3） 应适当降低搅拌浓度，提高分散性。
（4） 分散过程为减少极性物与非极性物距离，提高势能或表面能，所以为吸热反应，搅拌时总体温度有所下降。如条件允许应该适当升高搅拌温度，使吸热变得容易，同时提高流动性，降低分散难度。
（5） 搅拌过程如加入真空脱气过程，排除气体，促进固-液吸附，效果更佳。
（6） 分散原理、分散方法同正极配料中的相关内容，在三、（一）、4中有详细论述，在此不予详细解释。
4、 稀释。将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。
四、 配料注意事项：
1、 防止混入其它杂质；
2、 防止浆料飞溅；
3、 浆料的浓度（固含量）应从高往低逐渐调整，以免增加麻烦；
4、 在搅拌的间歇过程中要注意刮边和刮底，确保分散均匀；
5、 浆料不宜长时间搁置，以免沉淀或均匀性降低；
6、 需烘烤的物料必须密封冷却之后方可以加入，以免组分材料性质变化；
7、 搅拌时间的长短以设备性能、材料加入量为主；搅拌桨的使用以浆料分散难度进行更换，无法更换的可将转速由慢到快进行调整，以免损伤设备；
8、 出料前对浆料进行过筛，除去大颗粒以防涂布时造成断带；
9、 对配料人员要加强培训，确保其掌握专业知识，以免酿成大祸；
10、 配料的关键在于分散均匀，掌握该中心，其它方式可自行调整。
五、 总论：随着电池制程的日益透明，锂离子电池生产厂家越来越将配料列为核心机密，因为从材料的挑选、处理到合理搭配包含了太多技术人员的心血，同样的材料，有的厂家用起来特别顺利，有的厂家就麻烦百出；有的厂家用中档的材料可以做出高端的电池，而有的厂家却使用最好的材料做成的电池惨不忍睹；本人在此发表配料的基础知识，旨在让大家对配料的了解多一些，少走一些弯路；但因本人水平有限，难免有疏漏之处，希望大家多多批评指正。我也期望大家在工作中认真研究，真诚交流，大胆创新，团结起来，共同促进中国锂离子电池生产水平的提高