鋰離子電池生產(chǎn)工藝

1、目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 設(shè)計的目的與任務(wù)1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.1課程設(shè)計背景11.2課程設(shè)計目的與任務(wù)1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 設(shè)計的詳細(xì)內(nèi)容2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.1原材料及設(shè)備的選取2 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.2電池的工作原理32.3電池的

2、制備工藝設(shè)計3制片車間的工藝設(shè)計3 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 裝配車間的工藝設(shè)計6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 化成車間工藝設(shè)計7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 包裝車間工藝設(shè)計9 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.4廠房設(shè)計9 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 經(jīng)濟(jì)效益10 HYPERLINK l bookmark51 o

3、Current Document 對本設(shè)計的評述11 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 參考文獻(xiàn)121 .設(shè)計的目的與任務(wù)1.1課程設(shè)計背景自從1990年SONY采用可以嵌鋰的鉆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，現(xiàn)成為世界各國電源材料研究開 發(fā)的重點E。鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于移動電話、便攜式計算機(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)域具有重要作用心。正極材

4、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，已商品化的鋰 電池正極材料有鉆酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等,而層狀鉆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函。1865 0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

5、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)計目的與任務(wù)如前文所述，在目前商業(yè)化的鋰離子電池中，很多廠家都選用層狀結(jié)構(gòu)的 LiCoO作為正極材料。其理論容量為274mAh/g，實際容量為140mAh/g左右，也有 2報道實際容量已達(dá)155mAh/g。本設(shè)計擬通過以LiCoO作為正極材料的18650鋰電2池電芯器件作為模型，從原料選擇、設(shè)計原理、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)計出相應(yīng)的電池器件。設(shè)計者將通過查閱資料、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；

6、通過這一綜合訓(xùn)練，使我對實際的新能源產(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)計乃至實際生產(chǎn)工藝設(shè)計奠定必要的基 礎(chǔ)。此次設(shè)計包括如下任務(wù)：（1）18650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：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，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

7、總平面布置，成本利潤概算，投資評估。設(shè)計的詳細(xì)內(nèi)容本次設(shè)計的產(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)備的選取一生產(chǎn)車間工藝設(shè)計一廠房設(shè)計一綜合評估的順序來進(jìn)行設(shè)計的。其 中，生產(chǎn)車間工藝的設(shè)計為本次設(shè)計的重中之重，如下圖2-2所示。其余部分的設(shè)計如原材料、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

8、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)：LiCoO廣Li】 C0O2 + xLi+ + xe-負(fù)極反應(yīng)：6C + xLi+ + xe- Li C6電池總反應(yīng)：LiCo

9、O + 6C Li CoO + Li C21-x2x 6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。e- e- e-e- e- e-000 000圖2-3工作原理示意圖2.3電池的制備工藝設(shè)計制片車間的工藝設(shè)計制片車間的工藝流程為：正、負(fù)極配料一正、負(fù)極涂布一正、負(fù)極對輥一正、 負(fù)極分切一正負(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

10、，所 以對質(zhì)量要嚴(yán)格把控，現(xiàn)將工藝重點敘述如下：(1)確定電池的額定容量及用料量設(shè)額定容量為2300mAh，正極加料比按鉆酸鋰: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: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，

11、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)。涂布工序涂布機(jī)、碾壓機(jī)如圖2-6、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、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102um8.750.4mg/c m26102mm鋁箔162um4.320.4mg/c m26002mm敷料要求A面B面正極敷料量25.160.5

12、mg/c im221.160.48mg/cm負(fù)極敷料量10.940.18mg/cm11.040.18mg/cm表2表1圖2-6涂布機(jī)圖2-7碾壓機(jī)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：560.1mm負(fù)極：580

13、.1mm毛刺：W12um極片弓弧形度：負(fù)極：679mm長(一片)弓瓜高W0.68mm正極：660mm長(一片)孤高W0.66mm圖2-8裝配車間的工藝設(shè)計裝配車間的工藝流程為：卷繞一入殼一滾槽一極組烘烤一注液一激光焊一封 口?，F(xiàn)將卷繞工藝設(shè)計如下：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10.7mm ；寬度方向隔膜完全包住負(fù)極，尺寸要求應(yīng)為

14、10.5mm。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)無損傷毛刺等不良。其它工序儀器部分展示：注液圖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2-14烘烤圖2-15 封口圖2-12入殼圖2-13滾槽化成車間工藝設(shè)計化成車間工序眾多，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)

15、，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2-2），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)重點介紹分容 工序的設(shè)計。電池在制造過程中，因工藝原因使得電池的實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。1234電壓（V）4.1-4. 2低于 3.6電阻（）30-3535-40高于2

16、00是否合格合格合格不合格不合格表3本車間其它儀器部分展示：圖2-17全自動清洗機(jī)圖2-18干燥圖2-19涂防銹油圖2-20全檢外觀圖2-21噴碼包裝車間工藝設(shè)計包裝車間的工序有：外觀全檢-噴等級碼-等級掃描檢驗-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2-23等級掃描檢驗圖2-22噴等級碼圖2-24包箱圖2-25入庫2.4廠房設(shè)計沿海地區(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

17、本次設(shè)計需要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。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、沒有管理經(jīng)驗，所以擬定在建廠的前幾年與有先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗的廠 家進(jìn)行合作，貼牌生產(chǎn)，等到辦公司的經(jīng)驗豐富之后再自立品牌。預(yù)計投資收益 見下表：序號項目名稱數(shù)據(jù)和指標(biāo)一主

18、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251.71萬美元對本設(shè)計的評述在本次課程設(shè)計中，我暴露出了兩大缺點。第一，時間安排不當(dāng)，其實老師 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，搞得自己手慢攪亂，其實這個狀態(tài)肯定是做不好的。第 二，文字編輯能力實在糟糕，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踐性環(huán)節(jié)。在課程設(shè)計中，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、工作方法以及計算和編寫設(shè)計文件的能力。通過這一綜合訓(xùn)練，我