鋰離子電池生產(chǎn)工藝(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄1設(shè)計(jì)的目的與任務(wù)1.1課程設(shè)計(jì)背景自從1990年SONY采用可以嵌鋰的鈷酸鋰做正極材料以來,鋰離子電池滿足了非核能能源開發(fā)的需要,同時具有工作電壓高、比能量大、自放電小、循環(huán)壽命長、重量輕、無記憶效應(yīng)、環(huán)境污染少等特點(diǎn),現(xiàn)成為世界各國電源材料研究開發(fā)的重點(diǎn)13。鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于移動電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等的電源,并在電動汽車技術(shù)、大型發(fā)電廠的儲能電池、UPS電源、醫(yī)療儀器電源以及宇宙空間等領(lǐng)域具有重要作用45 。正極材料作為決定鋰離子電池性能的重要因素之一,研究和開發(fā)更高性能的正極材料是目前提高和發(fā)展鋰電池的有效途徑和關(guān)鍵所在。目前,已商品化的

2、鋰電池正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等,而層狀鈷酸鋰正極材料憑借其電壓高、放電平穩(wěn)、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)著市場的主要地位,也是目前唯一大量用于生產(chǎn)鋰離子電池的正極材料68。18650電池是指外殼使用65mm高，直徑為18mm的圓柱形鋼殼為外殼的鋰離子電池。自從上個世紀(jì)90年代索尼推出之后，這種型號的電池一直在生產(chǎn)，經(jīng)久不衰。經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前制備工藝已經(jīng)非常成熟，性能有了極大的提升，體積能量密度已經(jīng)提高了將近4倍，而且成本在所有鋰離子電池中也是最低，目前早已走出了原來的筆記本電腦的使用領(lǐng)域，作為首選電池應(yīng)用于動力及儲能領(lǐng)域。1.2課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)如前文所述，在目前商業(yè)化的鋰離子電池

3、中，很多廠家都選用層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2作為正極材料。其理論容量為274mAh/g，實(shí)際容量為140mAh/g左右，也有報(bào)道實(shí)際容量已達(dá)155mAh/g。本設(shè)計(jì)擬通過以LiCoO2作為正極材料的18650鋰電池電芯器件作為模型，從原料選擇、設(shè)計(jì)原理、制備工藝、封裝條件、工作情況等方面進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電池器件。設(shè)計(jì)者將通過查閱資料、課題討論、技術(shù)交流等方式，逐漸設(shè)計(jì)出合理、科學(xué)的18650鋰電池電芯，培養(yǎng)初步的科研思維和科研能力；通過這一綜合訓(xùn)練，使我對實(shí)際的新能源產(chǎn)品有初步的、宏觀的認(rèn)識和理解，為即將開展的畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至實(shí)際生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)奠定必要的基礎(chǔ)。此次設(shè)計(jì)包括如下任務(wù)：（1）18

4、650鋰電池電芯制備原料的選?。簩⒘谐鏊x原料的種類、選擇依據(jù)以及主要原料的使用技術(shù)要求；（2）闡明18650鋰電池電芯的工作原理（3）對18650鋰電池電芯的制備工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)：包括電池各部件的詳細(xì)制備流程（畫出流程簡圖）；制備方法及所用到的設(shè)備；畫出必要的設(shè)備裝置示意圖；制備過程中主要的工藝參數(shù)及其選擇依據(jù)；電池工作環(huán)境要求并闡明依據(jù)。（4）對18650鋰電池電芯生產(chǎn)廠進(jìn)行設(shè)計(jì)，并評估其產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益。包括：車間設(shè)備布置和工廠總平面布置，成本利潤概算，投資評估。2設(shè)計(jì)的詳細(xì)內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品圓柱形18650鋰電池電芯如圖2-1所示。我們是按原材料及設(shè)備的選取生產(chǎn)車間工藝設(shè)計(jì)廠房設(shè)計(jì)綜合評估

5、的順序來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。其中，生產(chǎn)車間工藝的設(shè)計(jì)為本次設(shè)計(jì)的重中之重，如下圖2-2所示。其余部分的設(shè)計(jì)如原材料、儀器設(shè)備、廠房等將在后續(xù)內(nèi)容中展開以及附圖中體現(xiàn)。圖2-1圓柱形18650鋰電池電芯 圖2-2 圓柱形18650鋰電池電芯生產(chǎn)流程2.1原材料及設(shè)備的選取 本設(shè)計(jì)選用的主要原料為LiCoO2 、石墨、乙炔黑、導(dǎo)電石墨、PVDF、NMP、MCMB、隔膜、電解液、鋁箔、銅箔、極耳、鋼殼、PVC等。主要儀器設(shè)備有真空混料機(jī)、間隙涂布機(jī)、碾壓機(jī)、極片連軋生產(chǎn)線、全自動分切機(jī)、全自動極耳焊接貼膠機(jī)、半自動卷繞機(jī)、全自動注液機(jī)、滾槽機(jī)、封口機(jī)、全自動清洗機(jī)、化成設(shè)備、全自動噴碼機(jī)、分容柜等。2.2電

6、池的工作原理18650鋰離子電池主要包括正極、負(fù)極和電解質(zhì)，它利用鋰離子在正極和負(fù)極之間形成嵌入化合物的鋰狀態(tài)和電位的不同，通過電子的得失來實(shí)現(xiàn)充電和 放電過程。充電時，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極石墨，而放電時，Li+ 從 石墨脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，如圖2-3所示。反應(yīng)式如下：正極反應(yīng)：LiCoO2Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 負(fù)極反應(yīng)：6C + xLi+ + xe- LixC6 電池總反應(yīng)：LiCoO2 + 6C Li1-xCoO2 + LixC6在正極材料LiCoO2中，鋰基本是以離子狀態(tài)存在，而在負(fù)極石墨中，鋰基本上以原子狀態(tài)存在，因此在鋰離子和鋰原子之間存在

7、較高的電位差。同時，鋰在正極材料中，由于鋰離子是嵌入到晶格中，因此離子性更強(qiáng)，從而表現(xiàn)出較高的輸出電壓。圖2-3 工作原理示意圖2.3電池的制備工藝設(shè)計(jì)2.3.1制片車間的工藝設(shè)計(jì)制片車間的工藝流程為：正、負(fù)極配料正、負(fù)極涂布正、負(fù)極對輥正、負(fù)極分切正負(fù)極烘烤。這是制作電池的第一個大環(huán)節(jié)，每道工序都很重要， 操 作不當(dāng)，會直接影響產(chǎn)品的性能，增加殘次品的比率。為了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益， 所 以對質(zhì)量要嚴(yán)格把控，現(xiàn)將工藝重點(diǎn)敘述如下：(1)確定電池的額定容量及用料量 設(shè)額定容量為2300mAh，正極加料比按鈷酸鋰:導(dǎo)電劑:粘結(jié)劑:制膠溶劑=100:0.77:1.35:34的比例配制。負(fù)極加料比按石墨粉

8、:導(dǎo)電劑:SBR:CMC:制膠溶劑=100:2.1:4.2:1.7:92的比例配制。正、負(fù)極的配料儀器如圖2-5所示。 圖2-5 左、右分別為正、負(fù)極拌料儀器（2）正負(fù)極粉體過篩正負(fù)極粉體過篩是為了除去正負(fù)極材料中的金屬雜質(zhì)，主要為鐵。正極工藝：a、篩網(wǎng)目數(shù)，粉體150目、super-p 100目b、篩網(wǎng)外觀：篩網(wǎng)無破損，網(wǎng)目無干料及雜質(zhì)堵塞等現(xiàn)象。c、真空輸送管無堵塞、通氣不順，罐體清潔無污物、雜質(zhì)。負(fù)極工藝：a、篩網(wǎng)目數(shù)，粉體150目、導(dǎo)電劑 50目b、篩網(wǎng)外觀：篩網(wǎng)無破損，網(wǎng)目無干料及雜質(zhì)堵塞等現(xiàn)象。c、真空輸送管無堵塞、通氣不順，罐體清潔無污物、雜質(zhì)。（3）涂布工序涂布機(jī)、碾壓機(jī)如圖2

9、-6、圖2-7所示。涂布工藝要求箔材外觀表面、切面平整，色澤均一，無明顯亮線、明顯凹凸點(diǎn)、暗痕條紋等，邊緣無明顯翹邊和褶皺，無掉粉，管芯無生銹。箔材按表1的要求進(jìn)行選取，涂布厚度按表2進(jìn)行設(shè)置操作。箔材要求箔材厚度箔材面密度箔材寬度銅箔10±2um8.75±0.4mg/c610±2mm鋁箔16±2um4.32±0.4mg/c600±2mm表 1敷料要求A面B面正極敷料量25.16±0.5mg/c21.16±0.48mg/c負(fù)極敷料量10.94±0.18mg/c11.04±0.18mg/c 表2圖

10、2-6 涂布機(jī) 圖2-7 碾壓機(jī) (4) 分切工序由于18650電池的直徑為18毫米，電池芯的直徑應(yīng)控制在17.5-18毫米之間，因此，極片不能過長，否則卷成的電芯無法放入筒體中，極片過短會使電芯無法填滿電池筒體，造成安全隱患。鏗離子18650電池與鎳氫電池不同，它的蓋體時一個復(fù)合件，既有能在內(nèi)壓過高和過充時自動打開的安全閥，還有一個降低或終止充電的溫度系數(shù)電阻元件(CPTC)。因此，設(shè)計(jì)極片寬度時預(yù)留10-15毫米的空間，按以下工藝執(zhí)行。小片寬度：正極：56±0.1mm 負(fù)極： 58±0.1mm毛刺： 12um極片弧形度：負(fù)極：679mm長（一片）弧高0.68mm 正極：

11、660mm長（一片）弧高0.66mm 圖2-8 2.3.2裝配車間的工藝設(shè)計(jì)裝配車間的工藝流程為：卷繞入殼滾槽極組烘烤注液激光焊封口?，F(xiàn)將卷繞工藝設(shè)計(jì)如下：卷繞就是用隔膜把正負(fù)極極片隔開，卷裹在一起，為入殼做準(zhǔn)備。在卷繞前，應(yīng)對極片裁切進(jìn)行正、負(fù)極片毛刺檢測，毛刺應(yīng)小于等于12um；正、負(fù)極耳焊接拉力均大于等于15N；燙孔無變形；隔膜平整、無褶皺破損、依附芯孔壁、無反彈堵孔。卷繞時應(yīng)注意對齊度：從卷芯邊緣方向，負(fù)極完全包住正極，尺寸要求應(yīng)為1±0.7mm；寬度方向隔膜完全包住負(fù)極，尺寸要求應(yīng)為 1±0.5mm。全自動卷繞機(jī)如圖2-9所示，卷好的成品如2-10所示，應(yīng)無損傷毛

12、刺等不良。其它工序儀器部分展示: 圖2-9 全自動卷繞機(jī) 圖2-10卷好的電芯 圖2-11 全自動注液機(jī) 圖2-12入殼 圖2-13滾槽 圖2-14烘烤圖 2-15封口 2.3.3化成車間工藝設(shè)計(jì)化成車間工序眾多，主要是檢測產(chǎn)品性能，分出等級。例如組裝后的電池，被給予一定的電流，使得電池正負(fù)極活性物質(zhì)被激發(fā)，最后使電池具有放電能力，這是化成工序的作用。又如電池經(jīng)過一定時間的儲存后，允許電池的容量及內(nèi)阻將有一定程度的變化，經(jīng)過了一段時間的儲存，可以讓內(nèi)部各成分的電化學(xué)性能穩(wěn)定下來，可以了解該電池的自放電性能的大小，以便保證電池的品質(zhì)，這就是老化工序的作用；化成車間工序雖然眾多（具體工序參照圖2-

13、2），但電池的性能基本上已經(jīng)由前面的工序決定，所以分出等級顯得尤為重要?，F(xiàn)重點(diǎn)介紹分容工序的設(shè)計(jì)。電池在制造過程中，因工藝原因使得電池的實(shí)際容量不可能完全一致，通過一定的充放電制度檢測，并將電池按容量分類的過程稱為分容，分容柜如圖2-16所示。一般情況下，Li-ion電池充滿電后開路電壓為4.14.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。通過對電池的開路電壓的檢測，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。通過測定產(chǎn)品的電阻和電壓的測定，對產(chǎn)品進(jìn)行歸檔，按表3進(jìn)行操作。圖2-16分容儀器1234電壓（V）4.1-42 4.1-4.2低于3.6 電阻 ()30-3535-40高于200是否合格合格合格不合格 不合

14、格 表3本車間其它儀器部分展示：圖2-17全自動清洗機(jī)aaBAK A0118650C4 4VM9A01 AK A01圖2-18干燥 圖2-19涂防銹油aaBAK A0118650C4 4VM9A01 AK A01圖2-20全檢外觀 圖2-21噴碼2.3.4包裝車間工藝設(shè)計(jì)包裝車間的工序有：外觀全檢噴等級碼等級掃描檢驗(yàn)包箱入庫。本車間的工序相對簡單，只需再次從外觀上以及等級掃描對前面分容工序分容進(jìn)行核對，分類裝箱入庫。 圖2-22 噴等級碼 圖2-23等級掃描檢驗(yàn) 圖2-24 包箱 圖2-25入庫2.4廠房設(shè)計(jì) 沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，產(chǎn)業(yè)集中，技術(shù)成熟，需求量大。但是由于廠家眾多，競爭壓力也大。而成

15、都近幾年經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，鋰電行業(yè)才剛剛起步，場地價格也較沿海低，若將廠址選建在成都，用心經(jīng)營，必將趁勢凸起。評估本次設(shè)計(jì)需要3條生產(chǎn)線，一條生產(chǎn)線需要一棟5層的廠房（帶電梯），故本次設(shè)計(jì)需要三棟有5層樓的廠房（帶電梯，方便運(yùn)輸物料）。廠房內(nèi)車間配制情況：制片車間和來料儲存間占一樓，裝配車間占二樓，化成車間占三樓和四樓的一部分，包裝車間占四樓剩下的一部分，五樓為成品儲存間和大會議室。另外，每層樓配辦公室。車間分布以及儀器擺放詳情詳見廠房車間分布簡圖。 3經(jīng)濟(jì)效益目前做鋰電的廠家盈利的主要目標(biāo)市場為手機(jī)/筆記本電源，而新建的公司沒有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、沒有管理經(jīng)驗(yàn)，所以擬定在建廠的前幾年與有先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的廠家

16、進(jìn)行合作，貼牌生產(chǎn)，等到辦公司的經(jīng)驗(yàn)豐富之后再自立品牌。預(yù)計(jì)投資收益見下表：序號項(xiàng)目名稱數(shù)據(jù)和指標(biāo)一主要指標(biāo)1總建筑面積100.00畝2總投資金額1622.82萬美元其中：建筑工程755,24萬美元設(shè)備及安裝費(fèi)用466.43萬美元土地費(fèi)用158.73萬美元二主要數(shù)據(jù)1年均銷售收入2594.40萬美元2年均凈利潤455.12萬美元3年銷售稅金及附加24.07萬美元4年均增值稅218.80萬美元5年均所得稅251.71萬美元4對本設(shè)計(jì)的評述在本次課程設(shè)計(jì)中，我暴露出了兩大缺點(diǎn)。第一，時間安排不當(dāng)，其實(shí)老師早就把任務(wù)布置下來了，但是我卻遲遲不動筆，總覺得時間還早，當(dāng)時間臨近時發(fā)現(xiàn)自己什么都還沒弄，搞

17、得自己手慢攪亂，其實(shí)這個狀態(tài)肯定是做不好的。第二，文字編輯能力實(shí)在糟糕，辦公軟件應(yīng)用能力差，這些都導(dǎo)致我事倍功半。鑒于者兩大缺點(diǎn)給我的痛苦記憶，我只好加油改掉它們了。盡管有很多不足，但是收獲也很多。課程設(shè)計(jì)是我們學(xué)習(xí)本專業(yè)課程后進(jìn)行的一個十分重要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。在課程設(shè)計(jì)中，我需要查閱各種書籍文獻(xiàn)，讓我回顧了本專業(yè)方向所學(xué)的專業(yè)理論知識，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用已學(xué)的基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識來解決基本工藝設(shè)計(jì)問題的初步技能，全面分析考慮問題的思想方法、工作方法以及計(jì)算和編寫設(shè)計(jì)文件的能力。通過這一綜合訓(xùn)練，我對鋰電行業(yè)有了更深刻的認(rèn)識，從原材料制備到成品銷售，我都有了了解，并能部分?jǐn)⑹龀鰜怼ｄ囯x子電池有很

18、多種，從外形分，從正、負(fù)極材料分，從電解液分，都可以分出不同類型。通過這次的訓(xùn)練，我對這些不同類型的鋰離子電池產(chǎn)品都有了宏觀的認(rèn)識和理解，這將為我工作后的實(shí)際生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)奠定必要的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 任旭梅,吳川,何國榮,等.鋰離子電池正負(fù)極材料研究進(jìn)展J.化學(xué)研究與應(yīng)用, 2000,12( 4):360- 3642 莊全超,武山,劉文元,等.鋰離子電池材料研究進(jìn)展J.電池,2003,33( 2):116- 1183 周恒輝,慈云祥,劉昌炎.鋰離子電池電極材料研究進(jìn)展J.化學(xué)進(jìn)展, 1998, 10( 1) : 85- 934 楊書廷,張焰峰,劉立君,等.鋰離子電池正負(fù)極材料研究進(jìn)展J.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) , 2000, 28