作為新一代可充電電源，鋰離子電池具有能量密度大、工作電壓高、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前充電電池的主流發(fā)展方向。它還具有低維護(hù)需求和無(wú)記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，在作戰(zhàn)中可隨時(shí)充放電，且?guī)缀醪恍枞魏螒?zhàn)場(chǎng)維護(hù)，減少后勤負(fù)擔(dān)，因此受到各國(guó)軍隊(duì)的重視和發(fā)展。近年來(lái)，鋰離子電池被廣泛用于單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、潛艇、無(wú)人機(jī)、空天飛行器等軍事裝備，在陸、海、空、天領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景。

優(yōu)勢(shì)不可替代

鋰離子電池是繼鎳氫等傳統(tǒng)蓄電池之后的新一代可充電電池，由日本索尼公司于1990年最先研發(fā)成功。鋰離子電池工作原理簡(jiǎn)單，具有較好的安全性和較長(zhǎng)的充放電壽命，被認(rèn)為是新型動(dòng)力源的首選。

鋰離子電池在軍事應(yīng)用中具有以下優(yōu)點(diǎn)。工作電壓高。一節(jié)鋰離子電池的放電電壓相當(dāng)于3節(jié)傳統(tǒng)蓄電池，同等使用條件下，大大減少電池使用量。能量密度高。是普通蓄電池的2至3倍，加上體積小、重量輕，用于野戰(zhàn)便攜式電子設(shè)備有不可替代的優(yōu)勢(shì)。循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。使用壽命長(zhǎng)達(dá)10至15年，與傳統(tǒng)蓄電池7至8年相比，降低了造價(jià)高昂帶來(lái)的影響。無(wú)環(huán)境污染。不含鉛、汞等重金屬，是一種潔凈的“綠色”能源。無(wú)記憶效應(yīng)?？呻S意充放電，尤其在戰(zhàn)時(shí)和緊急情況下顯示出優(yōu)異的使用性能。低維護(hù)率。幾乎不需要任何維護(hù)，減少戰(zhàn)時(shí)后勤負(fù)擔(dān)。此外，還有安全性能高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，各國(guó)將鋰離子電池作為替代傳統(tǒng)蓄電池的新型電池大力發(fā)展，新型鋰離子電池具備諸多特色，在便攜式電子設(shè)備應(yīng)用方面展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。

趨于可彎曲輕量化。隨著小型化、便攜式、可穿戴電子裝備日益增多，要求與之適配的電源具有重量輕、體積小、比能量高、可任意形變等特點(diǎn)，鋰離子電池憑借優(yōu)異性能成為上述電子設(shè)備的首選電源。2013年，美軍研發(fā)出一款可拉伸的鋰離子電池，能內(nèi)置手表腕帶中，為單兵智能手表等裝置供電。日本新推出一種柔性超薄鋰離子電池，在彎曲折疊后依然保持穩(wěn)定的電量輸出。該電池的另一個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)是采用無(wú)線充電技術(shù)，使可穿戴設(shè)備無(wú)需專門設(shè)計(jì)電池安裝區(qū)域。

能量密度持續(xù)提高。促進(jìn)鋰離子電池發(fā)展的一大因素是新興電池材料的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著多種新型電極材料被應(yīng)用，大大提升鋰離子電池的能量密度、循環(huán)使用壽命和穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能。另外，鋰離子電池的制造工藝也取得多項(xiàng)技術(shù)突破。日本新型耐高溫全固態(tài)鋰離子電池，在150℃的高溫環(huán)境中仍具備良好的導(dǎo)電性能，此項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大鋰離子電池的應(yīng)用范圍。美國(guó)采用噴涂工藝可大面積制造鋰離子電池，幾乎可以在所有物體表面形成電池，可進(jìn)一步提高戰(zhàn)場(chǎng)能源的保障能力。

安全性能取得技術(shù)突破。高安全性是軍事裝備對(duì)鋰離子電池的剛性要求，保證電池在受到高強(qiáng)度打擊和沖擊時(shí)絕對(duì)安全，主要通過(guò)使用高安全材料和優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。2017年1月，美國(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)出一種含有阻燃劑的微型“智能”纖維，插在電池的電極之間，可阻止電池短路起火。在測(cè)試中，當(dāng)鋰離子電池溫度達(dá)到160℃以上時(shí)，阻燃劑會(huì)被釋放到電解質(zhì)中，確保電池安全。

未來(lái)軍事裝備的主選

鋰離子電池作為動(dòng)力源，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在單兵電子設(shè)備、潛艇、魚雷、無(wú)人機(jī)中，展現(xiàn)出良好的使用性能，逐漸成為軍事裝備的重要能源。

單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的首選電源。鋰離子電池作為目前性能最好的蓄電池，不僅能為戰(zhàn)場(chǎng)上的單兵電子設(shè)備提供持久穩(wěn)定電源，還可大大減輕單兵負(fù)重，增強(qiáng)單兵作戰(zhàn)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，成為未來(lái)單兵裝備的首選電源。美陸軍開發(fā)的“士兵適形電池”，就是一種可穿戴的鋰離子聚合物電池，外形輕薄，排列放置在士兵穿著的防彈板上，減輕士兵承重。英國(guó)國(guó)防部將鋰離子電池作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)補(bǔ)給能源，研制的袋狀鋰離子電池具有超高比能量。此外，當(dāng)前世界各國(guó)軍隊(duì)研發(fā)的未來(lái)士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)大多采用鋰離子電池作為動(dòng)力源，如美國(guó)“陸地勇士”單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)和德國(guó)“未來(lái)士兵”系統(tǒng)都使用鋰離子電池。

海上裝備的“能源新寵”。鋰離子電池用作潛艇的動(dòng)力源，可極大提高潛艇航速、續(xù)航里程、生存能力，降低潛艇維護(hù)成本。近年來(lái)，多國(guó)海軍將鋰離子電池應(yīng)用于微型潛艇，同時(shí)開發(fā)適用于中遠(yuǎn)程潛艇的鋰離子電池。例如，法軍天蝎級(jí)潛艇裝備新一代鋰離子電池，能夠承受大電流充電，使?jié)撏С潆姇r(shí)間大幅縮短，水下續(xù)航時(shí)間翻倍。

鋰離子電池用于魚雷，可大幅降低魚雷動(dòng)力部分的體積和重量，并能在訓(xùn)練中反復(fù)使用，滿足部隊(duì)訓(xùn)練需求。目前，法國(guó)海軍已成功開發(fā)鋰離子電池魚雷，運(yùn)行速度超過(guò)50節(jié)（92．5千米／小時(shí)），續(xù)航時(shí)間超過(guò)1小時(shí)，可靠性和安全性均滿足作戰(zhàn)性能要求。此外，外軍還探索將鋰離子電池用作水面艦艇的電力系統(tǒng)。

空天飛行器的“第三代電源”。鋰離子電池被稱為第三代航天電源，近年來(lái)逐步應(yīng)用于各類航天設(shè)備。例如，新式鋰離子電池已經(jīng)用作國(guó)際太空站電源。在軍事航空領(lǐng)域，鋰離子電池主要應(yīng)用于小型、微型無(wú)人機(jī)。美軍在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中投入使用的“龍眼”無(wú)人偵察機(jī)，采用鋰離子電池作為動(dòng)力源，已在作戰(zhàn)中得到檢驗(yàn)。不過(guò)總體看，鋰離子電池在這一領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，主要制約因素是小型化不足、動(dòng)力不夠等。

大型裝備的動(dòng)力源不足。在地面裝備中，鋰離子電池主要應(yīng)用于軍用無(wú)人地面車輛、機(jī)器人、混合電動(dòng)戰(zhàn)車等。對(duì)使用油電混合驅(qū)動(dòng)的地面戰(zhàn)車來(lái)說(shuō)，采用鋰離子電池作為動(dòng)力源不僅可以降低油耗，減少后勤負(fù)擔(dān)，還可以提高戰(zhàn)術(shù)車輛的機(jī)動(dòng)力和生存能力。目前，外軍積極為混合電驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)車、無(wú)人地面車輛、地面機(jī)器人研發(fā)鋰離子電池模塊。不過(guò)，對(duì)大型地面裝備來(lái)說(shuō)，鋰離子電池功率偏弱是制約其進(jìn)一步應(yīng)用的主要因素。因此，未來(lái)還需要繼續(xù)研發(fā)高比功率、低成本的鋰離子電池，滿足地面裝備的任務(wù)需求。

隨著智能手機(jī)和其他智能用電設(shè)備越來(lái)越向薄型、小型化發(fā)展，對(duì)電池的能量密度提出更高要求，電池的尺寸空間也越來(lái)越小，軟包裝鋰離子電池稍有氣脹現(xiàn)象就會(huì)影響用電器使用，降低電池性能，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)撐破包裝鋁箔，造成漏液腐蝕危險(xiǎn)，因此了解電池脹氣產(chǎn)生的原因掌握抑制脹氣方法，對(duì)保證電池性能，提高其循環(huán)壽命及安全性能有重要意義。對(duì)軟包裝鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中的脹氣類型及原因進(jìn)行了分析，并從材料體系優(yōu)化及工藝控制等方面給出了抑制產(chǎn)氣發(fā)生的相關(guān)措施，對(duì)軟包裝鋰離子電池的制程優(yōu)化和產(chǎn)品品質(zhì)提升具有重要意義。

軟包鋰電池脹氣的原因

聚合物鋰離子電池芯采用的是鋁塑複合膜的包裝技術(shù)，當(dāng)電池芯內(nèi)部由于異常化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生而產(chǎn)生氣體時(shí)，Pocket會(huì)被充起，電池芯鼓脹（有輕微鼓脹和嚴(yán)重鼓脹兩種情況），且不論外觀如何，電池芯的使用性能（Capacity、Cycle life、C-rate等）會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的失效，導(dǎo)致電池芯不能使用。脹氣會(huì)發(fā)生在生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)在客戶甚至最終用戶手中。當(dāng)然，電池芯在化成啟動(dòng)或Baking過(guò)程中會(huì)正常的產(chǎn)生一定量（一般很少）的氣體，這根據(jù)所使用的原材料而異，這種氣體在Degassing工序會(huì)被抽掉。

目前部分Model（一次封裝成型電池芯）通過(guò)添加V18溶劑來(lái)消除這種SEI層形成、相介面穩(wěn)定時(shí)所產(chǎn)生的氣體。 但是由于工序異常所產(chǎn)生的氣體在Degassing前表面非常明顯或者Degassing后產(chǎn)生不能再消掉或者添加V18也不能消除。

這里簡(jiǎn)要介紹工序異常產(chǎn)生氣體的原因：

1.封裝不良，由封裝不良所引起脹氣電池芯的比例已經(jīng)大大地降低。前面已經(jīng)介紹了引起Top sealing、Side sealing和Degassing三邊封裝不良的原因，任何一邊封裝不良都會(huì)導(dǎo)致電池芯，表現(xiàn)以Top sealing 和Degassing居多，Top sealing主要是Tab位密封不良，Degassing主要是分層（包括受電解液和凝膠影響導(dǎo)致PP與Al脫離）。封裝不良引起空氣中水分進(jìn)入電池芯內(nèi)部，引起電解液分解產(chǎn)生氣體等。

2.Pocket表面破損，電池芯在流拉過(guò)程中，受到異常損壞或人為破環(huán)導(dǎo)致Pocket破損（如針孔）而使水分進(jìn)入電池芯內(nèi)部。

3.角位破損，由于折邊角位鋁的特殊變形，氣袋晃動(dòng)會(huì)扭曲角位導(dǎo)致Al破損（電池芯越大，氣袋越大，越易破損），失去對(duì)水的阻隔作用。可以在角位加皺紋膠或熱熔膠緩解。并且在頂封后的各工序禁止拿氣袋移動(dòng)電池芯，更要注意操作方式防止老化板上電芯池的擺動(dòng)。

4.電池芯內(nèi)部水含量超標(biāo)，前面我們已經(jīng)介紹過(guò)對(duì)電池芯內(nèi)水含量有一定的要求，一旦水含量超標(biāo)，電解液會(huì)失效在化成或Degassing后產(chǎn)生氣體。造成電池內(nèi)部水含量超標(biāo)的原因主要有：電解液水含量超標(biāo)，Baking后裸電芯水含量超標(biāo)，乾燥房濕度超標(biāo)。若懷疑水含量超標(biāo)導(dǎo)致脹氣，可進(jìn)行工序的追溯檢查。

5.化成流程異常，錯(cuò)誤的化成流程會(huì)導(dǎo)致電池芯發(fā)生脹氣。

6.SEI膜不穩(wěn)定，電池芯在容量測(cè)試充放電過(guò)程中發(fā)射功能輕微脹氣。

7.過(guò)充、過(guò)放，由于流程或機(jī)器或保護(hù)板的異常，使電池芯被過(guò)充或過(guò)度放電，電池芯會(huì)發(fā)生嚴(yán)重鼓氣。

8.短路，由于操作失誤導(dǎo)致帶電電芯兩Tab接觸發(fā)生短路，電池芯會(huì)發(fā)生鼓氣同時(shí)電壓迅速下降，Tab會(huì)被燒黑。

9.內(nèi)部短路，電池芯內(nèi)部陰陽(yáng)極短路導(dǎo)致電芯迅速放電發(fā)熱同時(shí)嚴(yán)重鼓氣。內(nèi)部短路的原因有很多種：設(shè)計(jì)問(wèn)題；隔離膜收縮、捲曲、破損；Bi-cell錯(cuò)位；毛刺刺穿隔離膜；夾具壓力過(guò)大；燙邊機(jī)過(guò)度擠壓等。例如曾經(jīng)由于寬度不足，燙邊機(jī)過(guò)度擠壓電芯實(shí)體導(dǎo)致陰陽(yáng)極短路脹氣。

10.腐蝕，電池芯發(fā)生腐蝕，鋁層被反應(yīng)消耗，失去對(duì)水的阻隔作用，發(fā)生脹氣。

11.真空抽氣異常，系統(tǒng)或機(jī)器的原因?qū)е抡婵斩犬惓egassing抽氣不徹底；Vacuum Sealing的熱輻射區(qū)過(guò)大，導(dǎo)致Degassing抽氣刺刀不能有效地刺破Pocket袋而導(dǎo)致抽氣不乾淨(jìng)。

抑制異常產(chǎn)氣的措施

在正常電壓范圍內(nèi)，產(chǎn)氣量較少，而且大多為碳?xì)浠衔?，?dāng)有異常產(chǎn)氣發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量氣體，破壞電極界面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電解液分解失效，嚴(yán)重時(shí)沖破封裝區(qū)造成漏液，腐蝕危險(xiǎn)。抑制異常產(chǎn)氣需要從材料設(shè)計(jì)和制造工藝兩方面著手。

首先要設(shè)計(jì)優(yōu)化材料及電解液體系，保證形成致密穩(wěn)定的SEI膜，提高正極材料的穩(wěn)定性，抑制異常產(chǎn)氣的發(fā)生。

針對(duì)電解液的處理常常采用添加少量的成膜添加劑的方法使SEI膜更均勻、致密，減少電池在使用過(guò)程中的SEI膜脫落和再生過(guò)程產(chǎn)氣導(dǎo)致電池鼓脹，相關(guān)研究已有報(bào)道并在實(shí)際中得到應(yīng)用，如哈爾濱理工大學(xué)的成夙等報(bào)道，使用成膜添加劑VC可以減少電池氣脹現(xiàn)象。但研究多集中在單組分添加劑上，效果有限。華東理工大學(xué)的曹長(zhǎng)河等人，采用VC與PS復(fù)合作為新型電解液成膜添加劑，取得了很好的效果，電池在高溫?cái)R置和循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)氣明顯減少。研究表明，EC、VC形成的SEI膜組分為線性烷基碳酸鋰，高溫下附在LiC的烷基碳酸鋰不穩(wěn)定，分解生成氣體（如CO2等）而產(chǎn)生電池鼓脹。而PS形成的SEI膜為烷基磺酸鋰，雖膜有缺陷，但存在著一定的二維結(jié)構(gòu)，附在LiC高溫下仍較穩(wěn)定。當(dāng)VC和PS復(fù)合使用時(shí)，在電壓較低時(shí)PS在負(fù)極表面形成有缺陷的二維結(jié)構(gòu)，隨著電壓的升高VC在負(fù)極表面又形成線性結(jié)構(gòu)的烷基碳酸鋰，烷基碳酸鋰填充于二維結(jié)構(gòu)的缺陷中，形成穩(wěn)定附在LiC具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SEI膜。此種結(jié)構(gòu)的SEI膜大大提高了其穩(wěn)定性，可以有效抑制由于膜分解導(dǎo)致的產(chǎn)氣。

此外由于正極鈷酸鋰材料與電解液的相互作用，使其分解產(chǎn)物會(huì)催化電解液中溶劑分解，所以對(duì)于正極材料進(jìn)行表面包覆，不但可以增加材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還可以減少正極與電解液的接觸，降低活性正極催化分解所產(chǎn)生的氣體。因此，正極材料顆粒表面形成穩(wěn)定完整的包覆層也是目前的一大發(fā)展方向。

其次要嚴(yán)格控制制造工藝過(guò)程參數(shù)，保證封裝可靠性，防止電池內(nèi)部水分過(guò)量引起的脹氣，控制方法如下：

（1）電芯卷繞完成后干燥充分，防止膜片中水分含量超標(biāo)；

（2）嚴(yán)格控制真空烘烤后電芯到注液時(shí)間及干燥房濕度；

（3）保證注液手套箱密封性；

（4）控制電解液中水分和游離酸含量；

（5）規(guī)范電解液存儲(chǔ)環(huán)境及密封條件，防止電解液在使用及存放過(guò)程中進(jìn)入過(guò)量水分；

（6）采用閉口加壓化成或者外置氣囊化成后抽真空封口排氣；

（7）采用多步化成和高溫?cái)R置工藝，保證產(chǎn)氣完全；

（8）提高封裝可靠性。

脹氣的產(chǎn)生主要有正常化成產(chǎn)氣和異常產(chǎn)氣，要想抑制電池后期的異常產(chǎn)氣，需要從材料設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝控制兩方面著手；選用具有穩(wěn)定完整包覆層的正極材料，阻隔電解液與正極反應(yīng)分解，匹配具有成膜添加劑的電解液，有效保證SEI膜的穩(wěn)定性是抑制產(chǎn)氣發(fā)生的前提，工藝過(guò)程中要保證封裝可靠性，加強(qiáng)控制水及氧氣等體系敏感物質(zhì)進(jìn)入電池內(nèi)部是有效解決電池脹氣的途徑。