一、 原理
1.0 正極構(gòu)造
LiCoO2(鈷酸鋰)+導(dǎo)電劑+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔）        正極
2.0 負(fù)極構(gòu)造
石墨+導(dǎo)電劑+增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+ 集流體（銅箔）     負(fù)極
3.0工作原理
3.1 充電過程：一個(gè)電源給電池充電,此時(shí)正極上的電子e從通過外部電路跑到負(fù)極上,正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應(yīng)為
LiCoO2=充電=Li1-xCoO2+Xli++Xe(電子)
負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)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(shí)是在外電路加一個(gè)可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實(shí)質(zhì)都是在電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子通過。由此可知，只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是同時(shí)行動的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。

 

 

二 工藝流程

1.正負(fù)極配方

1.1正極配方（LiCoO2(鈷酸鋰)+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔） 正極）

LiCoO₂(10μm):93.5%

其它：6.5%

如Super-P:4.0%

PVDF761:2.5%

NMP（增加粘結(jié)性）:固體物質(zhì)的重量比約為810:1496

a)正極黏度控制6000cps(溫度25轉(zhuǎn)子3)；

b)NMP重量須適當(dāng)調(diào)節(jié)，達(dá)到黏度要求為宜；

c)特別注意溫度濕度對黏度的影響

l     鈷酸鋰：正極活性物質(zhì)，鋰離子源，為電池提高鋰源。

       鈷酸鋰：非極性物質(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為6-8 μm，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(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為5-7 μm，含水量≤0.2%，通常為弱堿性，PH值為8左右。

l     導(dǎo)電劑：提高正極片的導(dǎo)電性，補(bǔ)償正極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性。
提高正極片的電解液的吸液量，增加反應(yīng)界面，減少極化。

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

l     PVDF粘合劑：將鈷酸鋰、導(dǎo)電劑和鋁箔或鋁網(wǎng)粘合在一起。

       非極性物質(zhì)，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。

l     NMP：弱極性液體，用來溶解/溶脹PVDF，同時(shí)用來稀釋漿料。

l     正極引線：由鋁箔或鋁帶制成。

1.2負(fù)極配方（石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+ 集流體（銅箔） 負(fù)極）

負(fù)極材料：94.5%

Super-P:1.0%

SBR:2.25%

CMC:2.25%

水：固體物質(zhì)的重量比為1600:1417.5

a)  負(fù)極黏度控制5000-6000cps(溫度25轉(zhuǎn)子3)

b)  水重量需要適當(dāng)調(diào)節(jié)，達(dá)到黏度要求為宜；

c)  特別注意溫度濕度對黏度的影響

2.正負(fù)極混料

★   石墨：負(fù)極活性物質(zhì)，構(gòu)成負(fù)極反應(yīng)的主要物質(zhì)；主要分為天然石墨和人造
石墨兩大類。

               非極性物質(zhì)，易被非極性物質(zhì)污染，易在非極性物質(zhì)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(tuán)聚。一般粒徑D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規(guī)則，主要有球形、片狀、纖維狀等。

★      導(dǎo)電劑：提高負(fù)極片的導(dǎo)電性，補(bǔ)償負(fù)極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性。

提高反應(yīng)深度及利用率。
防止枝晶的產(chǎn)生。
利用導(dǎo)電材料的吸液能力，提高反應(yīng)界面，減少極化。
（可根據(jù)石墨粒度分布選擇加或不加）。

★      添加劑：降低不可逆反應(yīng)，提高粘附力，提高漿料黏度，防止?jié){料沉淀。

增稠劑/防沉淀劑（CMC）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。

異丙醇：弱極性物質(zhì)，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(qiáng)烈的消泡作用；易催化粘合劑網(wǎng)狀交鏈，提高粘結(jié)強(qiáng)度。

乙醇：弱極性物質(zhì)，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(qiáng)烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，提高粘結(jié)強(qiáng)度

（異丙醇和乙醇的作用從本質(zhì)上講是一樣的，大批量生產(chǎn)時(shí)可考慮成本因素然后選擇添加哪種）。

★水性粘合劑（SBR）：將石墨、導(dǎo)電劑、添加劑和銅箔或銅網(wǎng)粘合在一起。

小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。

增稠劑/防沉淀劑（CMC）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。
★ 負(fù)極引線：由銅箔或鎳帶制成。

去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動性。

2.1正極混料

l  原料的摻和：
（1） 粘合劑的溶解（按標(biāo)準(zhǔn)濃度）及熱處理。
（2） 鈷酸鋰和導(dǎo)電劑球磨：使粉料初步混合，鈷酸鋰和導(dǎo)電劑粘合在一起，提高團(tuán)聚作用和的導(dǎo)電性。配成漿料后不會單獨(dú)分布于粘合劑中，球磨時(shí)間一般為2小時(shí)左右；為避免混入雜質(zhì)，通常使用瑪瑙球作為球磨介子。

l  干粉的分散、浸濕：
（1） 原理：固體粉末放置在空氣中，隨著時(shí)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(qiáng)，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(qiáng)，液體可以浸濕固體，將氣體擠出。
當(dāng)潤濕角≤90度，固體浸濕。
當(dāng)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(shí)間長，效果差，但不損傷材料的原有結(jié)構(gòu)）；
B、 攪拌法；自轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)（時(shí)間短，效果佳，但有可能損傷個(gè)別
材料的自身結(jié)構(gòu)）。
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(tài)，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(jié)構(gòu)和對設(shè)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(dǎo)致材料的浪費(fèi)和漿料沉淀的加重。
4、濃度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響。濃度越大，柔制強(qiáng)度越大，粘接強(qiáng)度
越大；濃度越低，粘接強(qiáng)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(jié)皮，太冷漿料的流動性將大打折扣。

l  稀釋。將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。

2.1.1原料的預(yù)處理
（1） 鈷酸鋰：脫水。一般用120 oC常壓烘烤2小時(shí)左右。
（2） 導(dǎo)電劑：脫水。一般用200 oC常壓烘烤2小時(shí)左右。
（3） 粘合劑：脫水。一般用120-140 oC常壓烘烤2小時(shí)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(shè)施，直接使用。2.1.2物料球磨

a）將LiCoO₂ Super-P倒入料桶，同時(shí)加入磨球（干料：磨球=1:1），在滾瓶及上進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速控制在60rmp以上；

b）4小時(shí)結(jié)束，過篩分離出球磨；

 

2.1.3操作步驟

a) 將NMP倒入動力混合機(jī)（100L）至80℃,稱取PVDF加入其中，開機(jī)；

參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)速25±2轉(zhuǎn)/分，攪拌115-125分鐘；

b) 接通冷卻系統(tǒng)，將已經(jīng)磨號的正極干料平均分四次加入，每次間隔28-32分鐘，第三次加料視材料需要添加NMP，第四次加料后加入NMP；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)速為20±2轉(zhuǎn)/分

c) 第四次加料30±2分鐘后進(jìn)行高速攪拌，時(shí)間為480±10分鐘；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為25±2轉(zhuǎn)/分；

d)  真空混合：將動力混合機(jī)接上真空，保持真空度為-0.09Mpa，攪拌30±2分鐘；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為10±2分鐘，自轉(zhuǎn)為8±2轉(zhuǎn)/分

e)  取250-300毫升漿料，使用黏度計(jì)測量黏度；

測試條件：轉(zhuǎn)子號5，轉(zhuǎn)速12或30rpm，溫度范圍25℃；

f)  將正極料從動力混合機(jī)中取出進(jìn)行膠體磨、過篩，同時(shí)在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識，與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

 

2.1.4注意事項(xiàng)

a)  完成，清理機(jī)器設(shè)備及工作環(huán)境；

b)  操作機(jī)器時(shí)，需注意安全，避免砸傷頭部。

 

2.2負(fù)極混料

2.2.1原料的預(yù)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(zhì)，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(dāng)稀釋，提高分散能力。

★   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(yīng)適當(dāng)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(yīng)，攪拌時(shí)總體溫度有所下降。如條件允許應(yīng)該適當(dāng)升高攪拌溫度，使吸熱變得容易，同時(shí)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(jìn)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(guān)內(nèi)容

★   稀釋：將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。

 

2.2.2物料球磨

a）將負(fù)極和Super-P倒入料桶同時(shí)加入球磨（干料：磨球=1:1.2）在滾瓶及上進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速控制在60rmp以上；

b）4小時(shí)結(jié)束，過篩分離出球磨；

 

2.2.3操作步驟

a)  純凈水加熱至至80℃倒入動力混合機(jī)（2L）

b)加CMC，攪拌60±2分鐘；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為25±2分鐘，自轉(zhuǎn)為15±2轉(zhuǎn)/分；

c) 加入SBR和去離子水，攪拌60±2分鐘；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2分鐘，自轉(zhuǎn)為20±2轉(zhuǎn)/分；

d) 負(fù)極干料分四次平均順序加入，加料的同時(shí)加入純凈水，每次間隔28-32分鐘；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為20±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為15±2轉(zhuǎn)/分；

e) 第四次加料30±2分鐘后進(jìn)行高速攪拌，時(shí)間為480±10分鐘；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為25±2轉(zhuǎn)/分；

f)  真空混合：將動力混合機(jī)接上真空，保持真空度為-0.09到0.10Mpa，攪拌30±2分鐘；

動力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為10±2分鐘，自轉(zhuǎn)為8±2轉(zhuǎn)/分

g)  取500毫升漿料，使用黏度計(jì)測量黏度；

測試條件：轉(zhuǎn)子號5，轉(zhuǎn)速30rpm，溫度范圍25℃；

h)  將負(fù)極料從動力混合機(jī)中取出進(jìn)行磨料、過篩，同時(shí)在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識，與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

 

2.2.4注意事項(xiàng)

a)  完成，清理機(jī)器設(shè)備及工作環(huán)境；

b)  操作機(jī)器時(shí)，需注意安全，避免砸傷頭部。

★      配料注意事項(xiàng)：
1、 防止混入其它雜質(zhì)；
2、 防止?jié){料飛濺；
3、 漿料的濃度（固含量）應(yīng)從高往低逐漸調(diào)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(shí)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(zhì)變化；
7、 攪拌時(shí)間的長短以設(shè)備性能、材料加入量為主；攪拌槳的使用以漿料分散難度進(jìn)行更換，無法更換的可將轉(zhuǎn)速由慢到快進(jìn)行調(diào)整，以免損傷設(shè)備；
8、 出料前對漿料進(jìn)行過篩，除去大顆粒以防涂布時(shí)造成斷帶；
9、 對配料人員要加強(qiáng)培訓(xùn)，確保其掌握專業(yè)知識，以免釀成大禍；
10、 配料的關(guān)鍵在于分散均勻，掌握該中心，其它方式可自行調(diào)整。

 

3.電池的制作

 

3.1   極片尺寸

3.2   拉漿工藝

a)  集流體尺寸

正極（鋁箔），間歇涂布

負(fù)極（銅箔），間歇涂布

b)  拉漿重量要求

電極  第一面雙面     重量（g） 面密度（mg/cm2） 重量（g） 面密度（mg/cm2）

…

3.3   裁片

a)  正極拉漿后進(jìn)行以下工序：

裁大片  裁小片  稱片（配片）  烘烤  軋片  極耳焊接

b)  負(fù)極拉漿后進(jìn)行以下工序：

裁大片  裁小片  稱片（配片）  烘烤  軋片  極耳焊接

 

3.4軋片要求

電極	壓片后厚度（mm）	壓片后長度（mm）
正極	0.125-0.145	362-365
負(fù)極	0.125-0.145	400-403

 

3.5配片方案

序號	正極重量（克）	負(fù)極重量（克）	備注
1	5.49-6.01	2.83-2.86	正極可以和重1-2個(gè)檔次的負(fù)極進(jìn)行配片
2	6.02-6.09	2.87-2.90
3	6.10-6.17	2.91-2.94
4	6.18-6.25	2.95-2.98
5	6.26-6.33	2.99-3.01
6	6.34-6.41	3.02-3.05

 

3.6極片烘烤

電極	溫度	時(shí)間（小時(shí)）	真空度
正極	120±5	6-10	≦-0.09Mpa
負(fù)極	110±5	6-10	≦-0.09Mpa

備注：真空系統(tǒng)的真空度為-0.095-0.10Mpa

      保護(hù)氣為高純氮?dú)猓瑲怏w氣壓大于0.5Mpa

 

3.7極耳制作

正極極耳 上蓋組合 超聲波焊接

鋁條邊緣與極片邊緣平齊

負(fù)極   鎳條直接用點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊，要求點(diǎn)焊數(shù)為8個(gè)點(diǎn)

鎳條右側(cè)與負(fù)極片右側(cè)對齊，鎳條末端與極片邊緣平齊

3.8隔膜尺寸

3.9卷針寬度

3.10壓芯

電池卷繞后，先在電芯底部貼上24mm的通明膠帶，再用壓平機(jī)冷壓2次；

3.11電芯入殼前要求

膠紙  鎳條。。。。

3.12裝殼

3.13負(fù)極極耳焊接

負(fù)極鎳條與鋼殼用點(diǎn)焊機(jī)焊接，要保證焊接強(qiáng)度，禁止虛焊

3.14激光焊接

仔細(xì)上號夾具，電池殼與上蓋配合良好后才能進(jìn)行焊接，注意避免出現(xiàn)焊偏

3.15電池真空烘烤

 

溫度	時(shí)間	真空度
80±5℃	16-22小時(shí)	≦-0.05Mpa

備注：

a)    真空系統(tǒng)的真空度為-0.095~0.10Mpa

b)    保護(hù)氣為高純氮?dú)猓瑲怏w氣壓大于0.5Mpa

c)    每小時(shí)抽一次真空注一次氮?dú)猓?/span>

3.16    注液量：2.9±0.1g

注液房相對濕度：小于30%

溫度：20±5℃

封口膠布：寬紅色膠布。粘膠布時(shí)注意擦凈注液口的電解液

      用2道橡皮筋將棉花固定在注液口處

3.17    化成制度

3.17.1開口化成工藝

a)恒流充電：40mA*4h   80mA*6h

        電壓限制：4.00V

b)全檢電壓，電壓大于3.90V的電池進(jìn)行封口，電壓小于3.90V的電池接著用60mA恒流至3.90-4.00后封口，再打鋼珠；

c)  電池清洗，清洗劑為醋酸+酒精

3.17.2續(xù)化成制度

a)   恒流充電（400mA，4.20V，10min）

b)   休眠（2min）

c)   恒流充電（400mA，4.20V，100min）

d)   恒壓充電（4.20V，20mA，150min）

e)   休眠（30min）

f)   恒流放電（750mA，2.75V，80min）

g)   休眠（30min）

h)   恒流充電（750mA，3.80V，90min）

i)   恒壓充電（3.80V，20mA，150min）

當(dāng)從LiCoO2拿走XLi后，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于X的大小。通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)X>0.5時(shí)Li1-XCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結(jié)。所以電芯在使用過程中應(yīng)通過限制充電電壓來控制Li1-XCoO2中的X值，一般充電電壓不大于4.2V那么X小于0.5 ，這時(shí)Li1-XCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。負(fù)極C6其本身有自己的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝淮位珊螅龢OLiCoO2中的Li被充到負(fù)極C6中，當(dāng)放電時(shí)Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負(fù)極C6中，心以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負(fù)極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實(shí)現(xiàn)：安全充電上限電壓≤4 .2V，放電下限電壓≥2.5V。

4． 包裝與儲存

記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化，在鋰電池中幾乎不會產(chǎn)生這種反應(yīng)。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降，其原因是復(fù)雜而多樣的。主要是正負(fù)極材料本身的變化，從分子層面來看，正負(fù)極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會逐漸塌陷、堵塞；從化學(xué)角度來看，是正負(fù)極材料活性鈍化，出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物。物理上還會出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數(shù)目。
　　過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。

　　不適合的溫度，將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部其他化學(xué)反應(yīng)生成我們不希望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負(fù)極之間設(shè)有保護(hù)性的溫控隔膜或電解質(zhì)添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復(fù)合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性，電池內(nèi)阻增大直到斷路，電池不再升溫，確保電池充電溫度正常。

 

技術(shù)參數(shù)	鎳鎘電池	鎳氫電池	鋰離子電池
工作電壓（V）	1.2	1.2	3.6
重量比能量(Wh/Kg)	50	60	105-140
體積比能量(Wh/l)	150	200	300
充放電壽命(次)	500	500	1000
自放電率（%/月）	25-30	30-35	6-9
有無記憶效應(yīng)	有	有	無
有無污染	有	無	無

　（注：充電速率均為1C）