電池原理和主要過程控制點(diǎn)

電池基本原理電池組成要素電池——電解槽①基本組成要素有：正極、負(fù)極、電解液②輔助組成要素有：集流體、導(dǎo)電柱、隔膜、外殼等從左圖可知，其實(shí)一個(gè)電池是由許多結(jié)構(gòu)相同的小電池并聯(lián)而成的。正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)1、電壓高傳統(tǒng)的干電池一般為1.5V，而鋰離子電池可高達(dá)3.9V2、比能量高體積能量密度400Wh/L以上，為傳統(tǒng)鋅負(fù)極電池的2~5倍3、工作溫度范圍寬-40~70℃4、可快速充放電5、放電平穩(wěn)大多數(shù)鋰一次電池具有平穩(wěn)的放電曲線6、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)預(yù)期可達(dá)10年7、沒有環(huán)境污染

●循環(huán)壽命：在一定條件下，將充電電池進(jìn)行反復(fù)充放電，當(dāng)容量等電池性能達(dá)到要求以下時(shí)所能發(fā)生的充放電次數(shù)?！褡苑烹姡弘姵卦跀R置過程中，沒有與外部負(fù)荷相連接而產(chǎn)生容量損失的過程（電池內(nèi)部微短路、電極的腐蝕、活性物質(zhì)的溶解以及電極上的歧化反應(yīng)等）?！穹烹娝俾剩罕硎痉烹姵潭鹊囊环N量度。所用的容量1h放電完畢，稱為1C放電；5h放電完畢，則為0.2C放電?！駧?kù)侖效率：在一定的充放電條件下，放電時(shí)釋放出來(lái)的電荷與充入的電荷的百分比（也叫充放電效率）

電池相關(guān)術(shù)語(yǔ)鋰離子電池反應(yīng)機(jī)理LiCoO2+CLiYC6+LixCoO2+Li1-X-YR充電時(shí)，鋰離子從八面體位置發(fā)生脫嵌，釋放一個(gè)電子；放電時(shí)，鋰離子嵌入八面體位置得到一個(gè)電子。X的范圍0≤X≤0.5，當(dāng)X>0.5時(shí)，LixCoO2在有機(jī)溶劑中不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生失氧反應(yīng)；同時(shí)CoO2不穩(wěn)定，容量發(fā)生衰減。固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）SEI膜：充電時(shí)Li+和電解液、C等物質(zhì)，在負(fù)極表面形成一層致密的膜，這層膜只允許離子通過，不允許其他大的分子進(jìn)入。如果該膜不穩(wěn)定或致密性不好，一方面電解液會(huì)繼續(xù)在發(fā)生分解；另一方面溶劑會(huì)發(fā)生插入，導(dǎo)致碳負(fù)極結(jié)構(gòu)破壞。SEI膜形成：1、0.5V以上膜開始形成2、0.55~2V膜基本形成。（時(shí)間非常短，就幾分鐘）一、鋰離子含量即容量，正極活性物質(zhì)的量決定容量。

?LiCoO2+CLiC6+LixCoO2二、正極過量會(huì)析出鋰枝晶，易產(chǎn)生安全問題，所以負(fù)極比正極稍微過量。?LiCoO2+CLiC6+LixCoO2+Li三、電解液起到運(yùn)輸鋰離子的作用，因此實(shí)際量必須保證。鋰離子電池設(shè)計(jì)原則四、水分會(huì)消耗鋰離子，影響容量，同時(shí)產(chǎn)生氣體造成鼓殼；同時(shí)可能和電解質(zhì)反應(yīng)，影響電池的循環(huán)、平臺(tái)等，所以鋰離子電池不能有水分。?LiCoO2+C＋H2OLiC6+LixCoO2+LiR+氣體?LiPF6＋H2OLiF+PF3O+2HF生成HF會(huì)和SEI膜反應(yīng)，生成水和氣體。鋰離子電池設(shè)計(jì)原則鋰離子電池設(shè)計(jì)原則五、隔膜紙起著隔離的作用，一定不能破損，否則正、負(fù)極直接短路會(huì)帶來(lái)安全問題。六、負(fù)極一定包注正極。電極中的各種材料用途特性比表面積（m2/g）：指材料單位質(zhì)量粒子所具有的表面積。（測(cè)試方法：計(jì)算單位重量的材料所吸附的氬氣體積）。

粒徑（μm）：材料顆粒大小的描述，指材料粒子的直徑大小。D50則描述材料平均粒徑大小。

振實(shí)密度（g/cm3）：材料通過一定機(jī)械振動(dòng)所得單位質(zhì)量所振實(shí)下去的體積。

另外，還有材料本身結(jié)構(gòu)、外觀型態(tài)、放電容量、容量效率、雜質(zhì)含量等也是各項(xiàng)材料性能制約因素。材料理化性能定義及描述1、電極材料

就一般鋰離子二次電池而言

正極材料：鈷酸鋰，本身克容量135-150mAh/g，壓實(shí)密度3.65-4.00g/cc，LiCoO2為正極的鋰離子電池具有開路電壓高、比能量高（理論比能量1068Wh/kg，理論容量274mAh/g）、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能快速放電的特點(diǎn)，但價(jià)格貴。

負(fù)極材料：人造石墨、中間相碳微球、天然石墨改性類等等。

普通人造石墨：克容量290-310mAh/g，壓實(shí)1.45-1.55g/cc。

中間相碳微球：克容量310-320mAh/g，壓實(shí)1.55-1.65g/cc。

天然石墨改性：克容量320-340mAh/g，壓實(shí)1.55-1.65g/cc。2、導(dǎo)電劑類

碳墨類導(dǎo)電劑，屬無(wú)定形碳，導(dǎo)電性能良好，有強(qiáng)吸附性，比表面積大，約為60-100m2/g，其本身沒有容量（S-P，S-S，乙炔黑）。

人造石墨類導(dǎo)電劑，導(dǎo)電性較碳墨類稍差，但比表面積較小，為10-30m2/g，本身有容量，約為290mAh/g，其加工性能較好（KS-6，S-O）。

另外還有天然石墨類，因其本身導(dǎo)電性良好，也可作為導(dǎo)電劑，又因本身容量較高，也可作為負(fù)極材料。而納米級(jí)碳纖維，導(dǎo)電性能良好，加工性能良好，但價(jià)格昂貴。3、膠類

對(duì)于俗名為PVDF的高分子膠來(lái)說，其化學(xué)名為聚偏氟乙烯，其粘度的大小受分子量、官能團(tuán)位置及加工工藝影響。一般來(lái)說，對(duì)于相同加工工藝、相同官能團(tuán)位置，則其分子量越大其粘度越高，但隨著粘度的增高，其對(duì)漿料的沉降現(xiàn)象也就更為明顯。而CMC和SBR則為水性體系中所配合使用的膠。

CMC（羧甲基纖維素納）：白色或微黃色粉末，本身有粘接性能，但在水性體系中其最基本作用還是分散材料及SBR。

SBR（丁苯橡膠乳）：白色帶淺藍(lán)色乳狀液體，高分子化合物，與CMC混合使用，其粘接性能較好。

通過高溫除去材料中的雜質(zhì)和水分①溫度偏高—正極材料結(jié)塊②溫度偏低—水分和雜質(zhì)去除不干凈，導(dǎo)致所有水分引起的問題。正負(fù)極材料熱處理制程過程控制點(diǎn)—1潛在問題

使各種原材料充分分散①攪拌不均勻—引起電池局部不均勻，對(duì)棍后可能出現(xiàn)極片有暗痕、硬塊等現(xiàn)象，電池可能出現(xiàn)容量、內(nèi)阻和循環(huán)壽命的異常甚至安全問題。②攪拌過程中有雜質(zhì)混入—影響電池性能攪拌制程過程控制點(diǎn)—2潛在問題

使?jié){料均勻地涂覆在基體表面并烘干①拉漿厚度不穩(wěn)定/拉漿機(jī)調(diào)試不到位—引起電池的局部不均勻，可能導(dǎo)致電池的容量和循環(huán)壽命的異常甚至安全問題②溫度不穩(wěn)定—極片烘不干引起掉粉或過熱影響極片的粘接性能拉漿制程過程控制點(diǎn)—3潛在問題

將極片上無(wú)效位置和極耳位置的覆料刮除①刮粉尺寸不準(zhǔn)—造成電池裝配難度增加，甚至使正負(fù)極根本無(wú)法吻合，引起電池的安全問題②刮傷基體—導(dǎo)致斷片或形成毛刺，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電池的安全問題刮粉制程過程控制點(diǎn)—4潛在問題

增加電極活性物質(zhì)的密度并使表面平整①壓力不足，輥壓厚度不到位—裝配困難，卷繞對(duì)位不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)可能引起安全問題②輥面不平整—極片表面不光滑甚至有毛刺，引起電池短路、自放電甚至出現(xiàn)安全問題③壓的太死，極片太脆或斷片，引起電池容量、內(nèi)阻、循環(huán)等性能異常。對(duì)輥制程過程控制點(diǎn)—5潛在問題

按型號(hào)要求剪裁極片①切口有毛刺—引起電池短路、自放電甚至出現(xiàn)安全問題②極片出現(xiàn)弧形—裝配困難，卷繞對(duì)位不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)可能引起電池短路甚至安全問題分條制程過程控制點(diǎn)—6潛在問題

使極片和極耳良好連接在一起虛焊—電池?cái)嗦坊騼?nèi)阻偏大正極焊接制程過程控制點(diǎn)—7潛在問題

使極片和極耳良好連接在一起鉚接不牢—電池內(nèi)阻增大甚至無(wú)窮大負(fù)極鉚接制程過程控制點(diǎn)—8潛在問題

封住極耳部位可能存在的毛刺貼的位置不當(dāng)，露出毛刺或貼住活性材料—毛刺引起電池的短路或安全問題，正極活性物質(zhì)被貼住會(huì)影響容量正負(fù)極貼膠紙制程過程控制點(diǎn)—9潛在問題

除去極片中的水分①溫度過高—極片變脆，引起極片掉粉或電池短路，導(dǎo)致電池自放電大甚至安全問題②溫度過低—極片除水不凈，導(dǎo)致電池容量低、內(nèi)阻不穩(wěn)定、循環(huán)差極片烘烤制程過程控制點(diǎn)—10潛在問題

隔膜良好絕緣的基礎(chǔ)上正負(fù)極良好地疊合①正負(fù)極片對(duì)位不齊—正極活性區(qū)域超出負(fù)極活性區(qū)域，具有安全隱患②操作過程中隔膜受到損傷—導(dǎo)致電池短路或自放電大，甚至引起安全問題卷繞制程過程控制點(diǎn)—11潛在問題

將圓卷芯折成方形卷芯捏扁時(shí)位置不對(duì)—使極耳偏離設(shè)計(jì)位置，引起套殼和蓋板焊接困難捏扁制程過程控制點(diǎn)—12潛在問題

使電池芯疊層緊密，方便套殼壓力過大或過小—壓力過大易導(dǎo)致電芯壓壞短路，壓力過小使電芯壓不到位，影響下步操作壓扁制程過程控制點(diǎn)—13潛在問題

避免電池芯和殼體或蓋板間的短路位置不當(dāng)—在電池受外界震動(dòng)或碰撞時(shí)不能完全避免電池的內(nèi)部短路，容易出現(xiàn)安全問題貼上下膠紙制程過程控制點(diǎn)—14潛在問題

將電芯完好無(wú)損地裝電池殼中套破—使電池短路或自放電大，具有安全隱患套殼制程過程控制點(diǎn)—15潛在問題

使正極耳和蓋帽良好連接在一起虛焊—導(dǎo)致電池?cái)嗦坊騼?nèi)阻偏大焊正極耳制程過程控制點(diǎn)—16潛在問題

使負(fù)極耳和鋼殼良好連接虛焊—導(dǎo)致電池?cái)嗦坊騼?nèi)阻偏大焊負(fù)極耳制程過程控制點(diǎn)—17潛在問題

固定蓋帽方便焊接虛焊或炸火—虛焊會(huì)引起蓋帽脫落，影響下步操作；炸火會(huì)導(dǎo)致外觀不良點(diǎn)蓋板制程過程控制點(diǎn)—19潛在問題

使電池殼和蓋帽無(wú)縫連接①焊接功率不穩(wěn)定—容易出現(xiàn)焊接漏點(diǎn)，引起電池漏氣或漏液②焊接時(shí)有雜物炸火—引起電池漏氣或漏液并影響電池外觀③焊接定位不良—導(dǎo)致電池焊接合格率低并影響電池外觀激光焊接制程過程控制點(diǎn)—20潛在問題

監(jiān)測(cè)焊接效果出現(xiàn)漏檢或誤檢—影響電池的注液并出現(xiàn)蓋底板漏液測(cè)氣密性制程過程控制點(diǎn)—22潛在問題

除去電池中的水分①溫度失控—溫度偏高會(huì)損壞電池，溫度過低會(huì)影響水分的去除，導(dǎo)致電池容量低、內(nèi)阻不穩(wěn)定、循環(huán)差及尺寸異常等問題②抽真空時(shí)不達(dá)標(biāo)—真空度不夠會(huì)影響電池中水分的去除烘電池制程過程控制點(diǎn)—23潛在問題

檢出短路電池漏檢或誤檢—短路或微短路的電池都會(huì)出現(xiàn)自放電大的情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在充放電時(shí)出現(xiàn)爆炸測(cè)短路制程過程控制點(diǎn)—24潛在問題

真空狀態(tài)下定量注入電解液①注液量不準(zhǔn)—注液量過多會(huì)導(dǎo)致電池漏液和鼓殼，過少會(huì)導(dǎo)致電池容量不足、內(nèi)阻偏大、平臺(tái)低及循環(huán)性差等問題②注液時(shí)與外界隔離效果差—容易導(dǎo)致電池內(nèi)含水量增加，引起電池容量低、內(nèi)阻大、平臺(tái)低及循環(huán)性差等問題注液制程過程控制點(diǎn)—25潛在問題

使電解液充分滲透儲(chǔ)存時(shí)環(huán)境控制不好—容易使電池吸水，引電池各項(xiàng)性能異常儲(chǔ)存制程過程控制點(diǎn)—26潛在問題

使電池在小電流的狀態(tài)下活化電流和時(shí)間控制不好—①電池充電不到位引起后續(xù)判斷不準(zhǔn)甚至電池鼓殼②預(yù)充前后時(shí)間控制不當(dāng)會(huì)使電池內(nèi)含水量增加，引起電池容量低、內(nèi)阻大、平臺(tái)低及循環(huán)性差等問題預(yù)充制程過程控制點(diǎn)—27潛在問題

檢測(cè)電池的自放電情況電壓測(cè)量不準(zhǔn)—對(duì)自放電電池檢定出錯(cuò)，易在分容過程中出現(xiàn)爆炸的異常情況測(cè)電壓制程過程控制點(diǎn)—28潛在問題

檢測(cè)電池的容量電流和時(shí)間控制不好—①放電電流不準(zhǔn)—影響電池的分容準(zhǔn)確度，出現(xiàn)誤判現(xiàn)象②恒壓電壓不準(zhǔn)a、電壓偏高會(huì)導(dǎo)致電池過充，影響電池性能和分容準(zhǔn)確度，極端時(shí)可能出現(xiàn)爆炸b、電壓偏低會(huì)導(dǎo)致電池充電不足，影響電池分容的準(zhǔn)確度分容制程過程控制點(diǎn)—29潛在問題

檢測(cè)電池的自放電情況溫度對(duì)儲(chǔ)存結(jié)果有影響儲(chǔ)存制程過程控制點(diǎn)—30潛在問題

清理電池表面①拋光不良—影響電池的外觀②定點(diǎn)拋光時(shí)間過長(zhǎng)—電池過熱影響電池的各項(xiàng)性能拋光制程過程控制點(diǎn)—31潛在問題