電池生產基礎知識

一、原理

1.0正極構造

LiCoO2(鈷酸鋰)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(pVDF)+集流體（鋁箔）正極

2.0負極構造

石墨+導電劑(乙炔黑)+增稠劑(CMC)+粘結劑(SBR)+集流體（銅箔）負極

3.0工作原理

3.1充電過程

如上圖一個電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為

LiCoO2=充電=Li1-xCoO2+Xli++Xe(電子)

負極上發生的反應為

6C+XLi++Xe=====LixC6

3.2電池放電過程

放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實是在外電路加一個可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實質都是在電池正負極加一個電阻讓電子通過。由此可知，只要負極上的電子不能從負極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經過電子導體跑到正極，鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。

二、工藝流程

三、電池不良項目及成因：

1.容量低

產生原因：

a.附料量偏少；b.極片兩面附料量相差較大；c.極片斷裂；

d.電解液少；e.電解液電導率低；f.正極與負極配片未配好；

g.隔膜孔隙率小；h.膠粘劑老化→附料脫落；i.卷芯超厚（未烘干或電解液未滲透）

j.分容時未充滿電；k.正負極材料比容量小。

2.內阻高

產生原因：

a.負極片與極耳虛焊；b.正極片與極耳虛焊；c.正極耳與蓋帽虛焊；

d.負極耳與殼虛焊;e.鉚釘與壓板接觸內阻大；f.正極未加導電劑；

g.電解液沒有鋰鹽；h.電池曾經發生短路；i.隔膜紙孔隙率小。

3.電壓低

產生原因：

a.副反應（電解液分解；正極有雜質；有水）；b.未化成好（SEI膜未形成安全）；

c.客戶的線路板漏電（指客戶加工后送回的電芯）；d.客戶未按要求點焊（客戶加工后的電芯）；

e.毛刺；f.微短路；g.負極產生枝晶。

4.超厚

產生超厚的原因有以下幾點:

a.焊縫漏氣;b.電解液分解;c.未烘干水分;

d.蓋帽密封性差;e.殼壁太厚;f.殼太厚;

g.卷芯太厚(附料太多；極片未壓實；隔膜太厚)。

5.成因有以下幾點

a.未化成好（SEI膜不完整、致密）；b.烘烤溫度過高→粘合劑老化→脫料；c.負極比容量低；

d.正極附料多而負極附料少；e.蓋帽漏氣，焊縫漏氣；f.電解液分解，電導率降低。

6.爆炸

a.分容柜有故障（造成過充）；b.隔膜閉合效應差;c.內部短路

7.短路

a.料塵；b.裝殼時裝破；c.尺刮（小隔膜紙太小或未墊好）;

d.卷繞不齊；e.沒包好；f.隔膜有洞;g.毛刺

8.斷路

a)極耳與鉚釘未焊好，或者有效焊點面積小；

b)連接片斷裂（連接片太短或與極片點焊時焊得太*下）配料基礎知識

配料基礎知識

一、電極的組成：

1、正極組成：

a、鈷酸鋰：正極活性物質，鋰離子源，為電池提高鋰源。

b、導電劑：提高正極片的導電性，補償正極活性物質的電子導電性。

提高正極片的電解液的吸液量，增加反應界面，減少極化。

c、pVDF粘合劑：將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網粘合在一起。

d、正極引線：由鋁箔或鋁帶制成。

2、負極組成：

a、石墨：負極活性物質，構成負極反應的主要物質；主要分為天然石墨和人造

石墨兩大類。

b、導電劑：提高負極片的導電性，補償負極活性物質的電子導電性。

提高反應深度及利用率。

防止枝晶的產生。

利用導電材料的吸液能力，提高反應界面，減少極化。

（可根據石墨粒度分布選擇加或不加）。

c、添加劑：降低不可逆反應，提高粘附力，提高漿料黏度，防止漿料沉淀。

d、水性粘合劑：將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網粘合在一起。

e、負極引線：由銅箔或鎳帶制成。

二、配料目的：

配料過程實際上是將漿料中的各種組成按標準比例混合在一起，調制成漿料，以利于均勻涂布，保證極片的一致性。配料大致包括五個過程，即：原料的預處理、摻和、浸濕、分散和絮凝。

三、配料原理：

（一）、正極配料原理

1、原料的理化性能。

（1）鈷酸鋰：非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為6-8μm，含水量≤0.2%，通常為堿性，pH值為10-11左右。

錳酸鋰：非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為5-7μm，含水量≤0.2%，通常為弱堿性，pH值為8左右。

（2）導電劑：非極性物質，葡萄鏈狀物，含水量3-6%，吸油值~300，粒徑一般為2-5μm；主要有普通碳黑、超導碳黑、石墨乳等，在大批量應用時一般選擇超導碳黑和石墨乳復配；通常為中性。

（3）pVDF粘合劑：非極性物質，鏈狀物，分子量從300，000到3，000，000不等；吸水后分子量下降，粘性變差。

（4）NMp：弱極性液體，用來溶解/溶脹pVDF，同時用來稀釋漿料。

2、原料的預處理

（1）鈷酸鋰：脫水。一般用120oC常壓烘烤2小時左右。

（2）導電劑：脫水。一般用200oC常壓烘烤2小時左右。

（3）粘合劑：脫水。一般用120-140oC常壓烘烤2小時左右，烘烤溫度視分子量的大小決定。

（4）NMp：脫水。使用干燥分子篩脫水或采用特殊取料設施，直接使用。

3、原料的摻和：

（1）粘合劑的溶解（按標準濃度）及熱處理。

（2）鈷酸鋰和導電劑球磨：使粉料初步混合，鈷酸鋰和導電劑粘合在一起，提高團聚作用和的導電性。配成漿料后不會單獨分布于粘合劑中，球磨時間一般為2小時左右；為避免混入雜質，通常使用瑪瑙球作為球磨介子。

4、干粉的分散、浸濕：

（1）原理：固體粉末放置在空氣中，隨著時間的推移，將會吸附部分空氣在固體的表面上，液體粘合劑加入后，液體與氣體開始爭奪固體表面；如果固體與氣體吸附力比與液體的吸附力強，液體不能浸濕固體；如果固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強，液體可以浸濕固體，將氣體擠出。

當潤濕角≤90度，固體浸濕。

當潤濕角＞90度，固體不浸濕。

正極材料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕，所以正極粉料分散相對容易。

（2）分散方法對分散的影響：

A、靜置法（時間長，效果差，但不損傷材料的原有結構）；

B、攪拌法；自轉或自轉加公轉（時間短，效果佳，但有可能損傷個別

材料的自身結構）。

1、攪拌槳對分散速度的影響。攪拌槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型攪拌槳用來對付分散難度大的材料或配料的初始階段；球形、齒輪形用于分散難度較低的狀態，效果佳。

2、攪拌速度對分散速度的影響。一般說來攪拌速度越高，分散速度越快，但對材料自身結構和對設備的損傷就越大。

3、濃度對分散速度的影響。通常情況下漿料濃度越小，分散速度越快，但太稀將導致材料的浪費和漿料沉淀的加重。

4、濃度對粘結強度的影響。濃度越大，柔制強度越大，粘接強度

越大；濃度越低，粘接強度越小。

5、真空度對分散速度的影響。高真空度有利于材料縫隙和表面的氣體排出，降低液體吸附難度；材料在完全失重或重力減小的情況下分散均勻的難度將大大降低。

6、溫度對分散速度的影響。適宜的溫度下，漿料流動性好、易分散。太熱漿料容易結皮，太冷漿料的流動性將大打折扣。

5、稀釋。將漿料調整為合適的濃度，便于涂布。

（二）、負極配料原理（大致與正極配料原理相同）

1、原料的理化性能。

（1）石墨：非極性物質，易被非極性物質污染，易在非極性物質中分散；不易吸水，也不易在水中分散。被污染的石墨，在水中分散后，容易重新團聚。一般粒徑D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規則，主要有球形、片狀、纖維狀等。

（2）水性粘合劑（SBR）：小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。

（3）防沉淀劑（CMC）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。

（4）異丙醇：弱極性物質，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑網狀交鏈，提高粘結強度。

乙醇：弱極性物質，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，提高粘結強度（異丙醇和乙醇的作用從本質上講是一樣的，大批量生產時可考慮成本因素然后選擇添加哪種）。

（5）去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動性。

2、原料的預處理：

（1）石墨：A、混合，使原料均勻化，提高一致性。B、300~400℃常壓烘烤，除去表面油性物質，提高與水性粘合劑的相容能力，修圓石墨表面棱角（有些材料為保持表面特性，不允許烘烤，否則效能降低）。

（2）水性粘合劑：適當稀釋，提高分散能力。

3、摻和、浸濕和分散：

（1）石墨與粘合劑溶液極性不同，不易分散。

（2）可先用醇水溶液將石墨初步潤濕，再與粘合劑溶液混合。

（3）應適當降低攪拌濃度，提高分散性。

（4）分散過程為減少極性物與非極性物距離，提高勢能或表面能，所以為吸熱反應，攪拌時總體溫度有所下降。如條件允許應該適當升高攪拌溫度，使吸熱變得容易，同時提高流動性，降低分散難度。

（5）攪拌過程如加入真空脫氣過程，排除氣體，促進固-液吸附，效果更佳。

（6）分散原理、分散方法同正極配料中的相關內容，在三、（一）、4中有詳細論述，在此不予詳細解釋。

4、稀釋。將漿料調整為合適的濃度，便于涂布。

四、配料注意事項：

1、防止混入其它雜質；

2、防止漿料飛濺；

3、漿料的濃度（固含量）應從高往低逐漸調整，以免增加麻煩；

4、在攪拌的間歇過程中要注意刮邊和刮底，確保分散均勻；

5、漿料不宜長時間擱置，以免沉淀或均勻性降低；

6、需烘烤的物料必須密封冷卻之后方可以加入，以免組分材料性質變化；

7、攪拌時間的長短以設備性能、材料加入量為主；攪拌槳的使用以漿料分散難度進行更換，無法更換的可將轉速由慢到快進行調整，以免損傷設備；

8、出料前對漿料進行過篩，除去大顆粒以防涂布時造成斷帶；

9、對配料人員要加強培訓，確保其掌握專業知識，以免釀成大禍；

10、配料的關鍵在于分散均勻，掌握該中心，其它方式可自行調整。

五、總論：隨著電池制程的日益透明，鋰離子電池生產廠家越來越將配料列為核心機密，因為從材料的挑選、處理到合理搭配包含了太多技術人員的心血，同樣的材料，有的廠家用起來特別順利，有的廠家就麻煩百出；有的廠家用中檔的材料可以做出高端的電池，而有的廠家卻使用最好的材料做成的電池慘不忍睹；本人在此發表配料的基礎知識，旨在讓大家對配料的了解多一些，少走一些彎路；但因本人水平有限，難免有疏漏之處，希望大家多多批評指正。我也期望大家在工作中認真研究，真誠交流，大膽創新，團結起來，共同促進中國鋰離子電池生產水平的提高