鋰離子電池組裝流水線生產(chǎn)工藝綜述

鋰離子電池組裝流水線生產(chǎn)工藝綜述

由于高能量密度、高循環(huán)壽命長(zhǎng)、高開(kāi)口電壓、安全無(wú)菌等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視。目前,鋰離子電池分兩大類(lèi):液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(LIP)。LIP按電解質(zhì)種類(lèi)不同又分為3種:多孔態(tài)、凝膠態(tài)和干態(tài)。聚合物鋰離子電池用途廣泛,如筆記本電腦、攝像機(jī)、掌上電腦、移動(dòng)電話、便攜式軍用電子設(shè)備,以及其它要求高能量密度、輕型電池的用途。新型的手機(jī)和筆記本電腦越來(lái)越多地采用聚合物鋰離子電池作為電源。聚合物鋰離子電池概念化生產(chǎn)工藝如圖1所示。首先是銅、鋁網(wǎng)(或箔)和電極材料(膜)的復(fù)合,形成陰極和陽(yáng)極。陰極、陽(yáng)極和聚合物膜一起再熱復(fù)合,形成一體化的電池。再經(jīng)過(guò)分切,后處理,極耳焊接,裝入鋁塑復(fù)合包裝袋,加液活化,化成測(cè)試,成為電池芯。其中最主要的工藝有:電極材料的預(yù)處理與電極漿料攪拌工藝,電極制膜及分切工藝,單片電池(Bicell)的組裝工藝,電池的化成工藝。環(huán)境除濕與包裝材料也是重要的質(zhì)量保證條件。本文針對(duì)這幾個(gè)主要工序的進(jìn)展作一些介紹。1聚合物電池組裝工藝在流水線生產(chǎn)中,組裝工藝是最復(fù)雜、投資最大的部分,也是批量生產(chǎn)的瓶頸階段,國(guó)內(nèi)外電池生產(chǎn)和設(shè)備制造企業(yè)都在尋求突破。聚合物鋰離子電池主要有4種組裝工藝流水線。a.銅、鋁網(wǎng)預(yù)處理直接涂陰極、陽(yáng)極膜于銅、鋁網(wǎng)上,和電解質(zhì)膜復(fù)合、剪裁、組裝、熱壓、萃取、加液包裝。b.銅、鋁網(wǎng)預(yù)處理分別制備陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)膜,剪裁、分別熱壓復(fù)合、單電池芯熱壓復(fù)合、組裝、萃取、單個(gè)加液包裝。c.銅、鋁網(wǎng)預(yù)處理分別制備陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)膜,連續(xù)成卷剪裁、連續(xù)熱壓復(fù)合單個(gè)電芯、自動(dòng)化萃取、自動(dòng)化流水線組裝、流水線加液盒式包裝。d.膠狀聚合物鋰離子電池組裝陰、陽(yáng)極漿液分別涂布在銅、鋁箔上、涂布上電解質(zhì)(膠狀)、聚合、剪裁、卷繞組裝、包裝。上述4種電池組裝工藝中,前3種是生產(chǎn)多孔型電芯的組裝工藝,外加電解液活化。第1種屬概念化的工藝流水線,雖然較直接,但要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),對(duì)設(shè)備的要求較高,目前很少有采用這一工藝組裝電池的。第2種組裝工藝適合于中批量手工生產(chǎn),對(duì)設(shè)備要求不高,只需要一些自動(dòng)化的單機(jī)即可,生產(chǎn)成本較低,易于轉(zhuǎn)型生產(chǎn)多種型號(hào)電池,但疊片組裝自動(dòng)化難度較大,目前尚需人工輔助,不利于大規(guī)模批量生產(chǎn)。第3種工藝是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都正在研究開(kāi)發(fā)的一種自動(dòng)化流水線組裝方式,是較有希望成熟的方式,但目前也遇到一些困難,如包括陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)膜的或卷分切技術(shù)上難度大,尚未十分成熟,如果需要轉(zhuǎn)換型號(hào)生產(chǎn),需更換大量的模具,而且設(shè)備投資大(一般來(lái)說(shuō),按日產(chǎn)3萬(wàn)只1000mAh電池芯計(jì)算,不計(jì)化成工序,一條進(jìn)口自動(dòng)化組裝流水線設(shè)備的價(jià)格約2億元人民幣)。第4種是現(xiàn)場(chǎng)聚合電解質(zhì)隔膜,組裝后不用萃取,易于采用卷繞或連續(xù)折疊工藝,也不用電解液活化。目前在美國(guó)、日本已有商品化的批量試驗(yàn)生產(chǎn)線,正在逐漸成熟中。該種電池生產(chǎn)組裝工藝對(duì)自動(dòng)化設(shè)備要求相對(duì)較低,成本也較低,是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的生產(chǎn)工藝。Hikmet采用1%超高分子量聚乙烯作粘合劑骨架,使電極膜具有自支持的強(qiáng)度,再在陰極和陽(yáng)極膜上真空鍍上1μm厚的鋁層和銅層作為集流體,這一層是多孔狀的,同時(shí)和電極膜很好的接觸,大大降低了電池中的非活性材料,同時(shí)降低了電池的內(nèi)阻抗。該電池表現(xiàn)了較好的充放電性能和循環(huán)性能。2.5C放電容量約為0.2C放電容量的90%左右。用0.5C電流充放電,經(jīng)過(guò)300次的循環(huán),電池的放電容量還保持初始放電容量的85%左右,目前尚處于實(shí)驗(yàn)階段。2陰、陽(yáng)極攪拌法電池原材料的預(yù)處理及電極漿料攪拌工藝是鋰離子電池生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)。其中重要的是陰、陽(yáng)極漿料的攪拌。要求對(duì)多種電池原材料在有機(jī)溶劑中進(jìn)行完全的高度分散,最后形成的均勻的高粘度聚合物漿體,用于下一步電極膜的涂布。由于陰、陽(yáng)極漿料是由多種不同比重、不同粒度的原料組成,又是固～液相攪拌,形成的漿料屬于非牛頓流體。聚合物鋰離子電池電極漿料是以有機(jī)介質(zhì)作為溶劑,需考慮溶劑揮發(fā)控制和安全的問(wèn)題,故增加了攪拌的難度。此外,不同的加料順序?qū)﹄姵匦阅芤灿休^大的影響,一般在進(jìn)行陰、陽(yáng)極漿料攪拌前,需對(duì)比重相差較大的固體材料進(jìn)行預(yù)混合。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室或少量中試生產(chǎn),采用小型剪切分散攪拌機(jī),基本可以滿(mǎn)足要求。但對(duì)批量工業(yè)化生產(chǎn),普通攪拌方式和攪拌設(shè)備不能滿(mǎn)足電池漿料均勻攪拌要求,一般采用行星式高速攪拌。這類(lèi)設(shè)備目前主要靠進(jìn)口,但昂貴的價(jià)格讓國(guó)內(nèi)電池生產(chǎn)企業(yè)望而卻步。同時(shí)進(jìn)口設(shè)備也不成熟,一般不是針對(duì)聚合物鋰離子電池設(shè)計(jì)的,眾多廠家的使用經(jīng)驗(yàn)表明,進(jìn)口的設(shè)備也是很難符合具體的生產(chǎn)工藝的要求,國(guó)外電池公司對(duì)此工藝封鎖很緊。在國(guó)內(nèi),廈門(mén)寶龍工業(yè)有限公司獨(dú)立設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一套全自動(dòng)化攪拌生產(chǎn)流水線系統(tǒng),能較好地滿(mǎn)足漿料密度分散要求和批量工業(yè)化生產(chǎn)。3鋰離子電池可轉(zhuǎn)染層壓縮器分切工藝聚合物鋰離子電池生產(chǎn)需要涂布3種膜:陰極膜,陽(yáng)極膜,電解質(zhì)膜。鋰離子電池極片涂布的特點(diǎn)是:①漿料濕涂層較厚(100～300μm);②漿料為非牛頓型高粘度流體;③相對(duì)于一般涂布產(chǎn)品而言,雖然速度不快,但極片涂布精度要求高,厚度偏差要求約±3μm。這對(duì)涂布設(shè)備提出較高要求。目前聚合物鋰離子電池電極膜的制膜方式主要有以下幾種:①狹縫擠壓涂布(SlitDie);②輥式涂布(Roll);③自然流延法;④澆注法。狹縫擠壓涂布:此工藝的特點(diǎn)就是帶有狹縫而且腔體內(nèi)有特殊流線的模具,漿料通過(guò)涂布厚度傳感器、模具腔內(nèi)壓力傳感器、定量泵與計(jì)算機(jī)控制中心組成閉環(huán)控制系統(tǒng),使擠出量定量定厚定速。此工藝手段最大的特點(diǎn)是涂布均勻,膜厚和膜重均勻,精度高,適合于大批量生產(chǎn)。此種工藝是目前國(guó)際的主流手段,但系統(tǒng)復(fù)雜,價(jià)格昂貴。輥式涂布:此工藝是比較成熟的。根據(jù)電池漿料的特性,可選擇多種形式的涂輥。一般用逗號(hào)刮刀的形式,采用此辦法,膜厚控制精度較高,適用于大批量生產(chǎn)使用。也有采用多輥形式進(jìn)行涂布。自然流延法:將貯有漿液的不銹鋼加料罐與一充滿(mǎn)惰性氣體的鋼瓶相連,通過(guò)調(diào)節(jié)漿料罐中的壓力來(lái)控制漿的流出速度,并始終維持括刀刀口處漿液的量恒定,以恒速運(yùn)動(dòng)的基體帶動(dòng)漿料通過(guò)刀口與基體的狹縫形成厚度、寬度一定的薄膜,通過(guò)烘道烘干后收成卷,調(diào)節(jié)刀口狹縫高度,可以獲得不同厚度的膜,采用這種方法,膜厚及膜重的精度低于狹縫擠壓涂布和輥涂布,但對(duì)設(shè)備的要求較低,投入較少。澆注法:取一平整玻璃板作為載體,在其中設(shè)置面積大小不等,深淺各異的淺槽,根據(jù)欲制備膜的厚度,在相應(yīng)深度淺槽中注入漿液,任其自由流動(dòng)至鋪滿(mǎn)淺槽,然后嚴(yán)格水平地烘干,即可制備出不同面積、厚度的薄膜,這種方法簡(jiǎn)便可行,適于實(shí)驗(yàn)室制備小塊薄膜。在國(guó)內(nèi)有較多的單位開(kāi)展了鋰離子電池涂布設(shè)備的研究,如中科院感光所在積累多年研制感光膠片涂布機(jī)的基礎(chǔ)上,研制成功的鋰離子電池極片涂布機(jī)主要技術(shù)性指標(biāo)達(dá)到了引進(jìn)設(shè)備水平,能滿(mǎn)足制作鋰離子電池生產(chǎn)的要求。工業(yè)化批量生產(chǎn)還需要連續(xù)制備出的電極膜等長(zhǎng)段材料進(jìn)行分切。由于對(duì)分切設(shè)備的控制精度要求高,刀口加工精度要求高,刀的形狀設(shè)計(jì)也很講究,制造分切效果好的設(shè)備較困難。此類(lèi)設(shè)備中,日本生產(chǎn)分切機(jī)性能比較好,但價(jià)格昂貴。4鋰離子電池在充電過(guò)程中的狀態(tài)化成制度對(duì)于多數(shù)研究單位和開(kāi)發(fā)企業(yè)都作為一項(xiàng)機(jī)密,現(xiàn)在的化成制度一般文獻(xiàn)較少提及。鋰離子電池一般的化成和工作電壓區(qū)間為2.5～4.2V,多數(shù)采用恒流充電至一定電壓后,再用恒壓充電(CC/CV),以提高充電容量。也有采用脈沖方式充電。化成后一般有儲(chǔ)存周期。聚合物鋰離子電池通行的化成制度一般是先用小電流充電,在負(fù)極表面形成SEI層,達(dá)到一定的電壓后,再用較大的電流對(duì)電池充電,最終讓電池變?yōu)槌善冯姵匦?。但在小電流的化成次?shù)和電壓、電流控制上各有不同,一般在5次以?xún)?nèi)。有人認(rèn)為,在低電壓和低電流下化成形成的SEI層會(huì)更加致密和穩(wěn)定。在鋰離子電池的化成工藝中,溫度也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。對(duì)于聚合物鋰離子電池,如果在高溫下化成,可以讓電極表面的SEI層反應(yīng)更充分,同時(shí)可以使電解液隔膜吸液完全,這樣電池穩(wěn)定,降低化成后電池的氣脹情況。但也有人認(rèn)為在較低的溫度下化成,SEI膜形成慢,以溶劑還原為主,鋰鹽的還原速度變慢,溶劑產(chǎn)物的沉積更為有序致密,電極鈍化更有效,有利于延長(zhǎng)電池壽命。目前,國(guó)內(nèi)的廠商引進(jìn)國(guó)外的化成設(shè)備大多為美國(guó)(Arbin、Maccor)和日本(NEC等)產(chǎn)品,因?yàn)閮r(jià)格在1000元/通道,一般買(mǎi)的是單機(jī),但其優(yōu)勢(shì)是質(zhì)量穩(wěn)定,軟件完整,群量組合可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。國(guó)內(nèi)廠家有廣州擎天、杭州可靠、哈爾濱子木、等廠家,總體上可滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)需求,性能價(jià)格比適合國(guó)情,但在軟件上和自動(dòng)化水平上有待于進(jìn)一步提高。5國(guó)外其常用外濕設(shè)備生產(chǎn)環(huán)境除濕對(duì)于鋰離子電池生產(chǎn),無(wú)論投資還是能耗都是可觀的,也是生產(chǎn)電池廠家必須認(rèn)真研究和對(duì)待的環(huán)節(jié)。鋰離子電池生產(chǎn)環(huán)境通常溫度為22～25℃,不同的生產(chǎn)工段有不同的溫度要求,有相對(duì)濕度10%～40%的常規(guī)除濕,局部甚至要求相對(duì)濕度RH≤2%或1%的深度除濕。除濕一般分為冷凍除濕、分子篩脫水(熱再生)、氯化鋰轉(zhuǎn)輪式除濕、硅膠轉(zhuǎn)輪式除濕等方式,尤以氯化鋰轉(zhuǎn)輪式為優(yōu)。國(guó)外除濕的優(yōu)勢(shì)主要在轉(zhuǎn)輪上,瑞典、美國(guó)、挪威等國(guó)家都有除濕設(shè)備生產(chǎn),但價(jià)格昂貴,一般國(guó)內(nèi)廠商很難接受。廣州華工泰在轉(zhuǎn)輪除濕上有突破,接近國(guó)外的水平;另外還有浙江造紙所?？傊凉裨O(shè)備完全可國(guó)產(chǎn)制作或單獨(dú)進(jìn)口轉(zhuǎn)輪配套制造,都可達(dá)到比較理想的效果。國(guó)內(nèi)的除濕設(shè)備已經(jīng)比較成熟。6復(fù)合飲料的制備工藝和性能聚合物鋰離子電池從1997年開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)以來(lái),在北美、歐洲、亞洲(特別是日本)迅速發(fā)展,眾多大型電池生產(chǎn)企業(yè)加入這一行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。新的工藝思路和設(shè)備被應(yīng)用于先進(jìn)生產(chǎn)線設(shè)計(jì),生產(chǎn)工藝和設(shè)備的開(kāi)發(fā)處于快速更新時(shí)期,并逐漸趨向成熟。聚合物鋰離子電池批量生產(chǎn)工藝中應(yīng)重視兩個(gè)的方面:a.自動(dòng)化問(wèn)題目前聚合物鋰離子電池的組裝過(guò)程中,電極膜、集流體和電解質(zhì)膜的多層復(fù)合工藝較成熟,但僅限于單機(jī)自動(dòng)化。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程涉及較多的工藝步驟,需要綜合厚度、壓力、溫度和加熱時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行控制,且集流體金屬網(wǎng)和電極膜的抗拉強(qiáng)度一般較小,故實(shí)現(xiàn)流水線式的自動(dòng)化組裝難度較高。目前有采用類(lèi)似液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)的分段式涂布折疊或卷繞式組裝方式,以降低工藝難度?，F(xiàn)在較有競(jìng)爭(zhēng)力的膠體聚合物鋰離子電池,采用銅、鋁箔作為集流體,電池內(nèi)部也是一體化復(fù)合,較穩(wěn)定。自動(dòng)化組裝時(shí)采用卷繞式或折疊方式,不用萃取,用鋁塑復(fù)合膜軟包裝。這種電池易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。但膠體電池存在膠體穩(wěn)定性的問(wèn)題,在溫度變