扣式電池和軟包電池是如何制作的？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-08 16:55
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鋰離子扣式電池主要由以下幾部分組成：正極殼、負(fù)極殼、（正/負(fù)）極片、隔膜、墊片、彈片、電解液。
常用的扣式電池的電池殼為CR2032、CR2025、CR2016等，C代表扣電體系，R代表電池外形為圓形。前兩位數(shù)字為直徑（單位mm），后兩位數(shù)字為厚度（單位0.1mm），取兩者的接近數(shù)字。例如CR2032的大略尺寸為直徑20mm，厚度3.2mm。
1.2極片
極片的制備工藝對(duì)電化學(xué)性能能否充分發(fā)揮有重要影響，我們會(huì)在2.1中重點(diǎn)講解，此處簡要介紹。下圖為正極材料所制備的極片。
正負(fù)極極片的制備流程相同，區(qū)別在于正極涂布在鋁箔上，負(fù)極涂布在在銅箔上，這是為何呢？
首先，兩者的導(dǎo)電性都相對(duì)較好，質(zhì)地比較柔軟，價(jià)格也相對(duì)較低。
其次，鋁本身比較活潑，在低電位下，鋁會(huì)出現(xiàn)嵌鋰，生成鋰鋁合金，不宜作為負(fù)極的集流體。如果使用鋁箔作為負(fù)極的集流體，鋁會(huì)和鋰形成合金，然后粉化，嚴(yán)重影響電池的壽命和性能。
最后，銅在高電位下容易氧化，不宜作為正極的集流體，銅表面的氧化層屬于半導(dǎo)體，電子導(dǎo)通，氧化層太厚時(shí)，阻抗會(huì)增加。同時(shí)鋰不會(huì)與同在地點(diǎn)為下形成嵌鋰合金。
什么樣的極片才是好極片？
應(yīng)該滿足這幾方面：（1）漿料涂布均勻，觀察不到明顯的厚度不均勻，特別薄的地方甚至能觀察到亮色的鋁箔；（2）極片保持完整圓形未受損壞，周圍盡量沒有毛刺；（3）極片涂布區(qū)域沒有顆粒物并且沒有明顯的掉粉現(xiàn)象。
1.3隔膜
實(shí)驗(yàn)室所用隔膜一般為Celgard2400或者Celgard系列其他產(chǎn)品，沖壓成小圓片后使用，直徑略大于正負(fù)極極片?？梢愿鶕?jù)電池性能要求不同選擇隔膜，關(guān)于隔膜的選擇和參數(shù)，請(qǐng)見后期關(guān)于鋰電池隔膜的選擇以及參數(shù)意義的介紹。
隔膜的作用是什么呢？
簡單的說，如果沒有隔膜，正負(fù)極就直接接觸，也就是會(huì)發(fā)生短路，這也就是為什么有的電池中要抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，就是防止其刺破隔膜，引起局部短路，而造成安全事故。隔膜一般采用聚乙烯等高分子材料，不導(dǎo)電，其結(jié)構(gòu)中有許多微孔，允許鋰離子通過,雖然它是絕緣體，但“不允許電子通過的說法并不準(zhǔn)確”。
1.4鋰片（即負(fù)極片）
負(fù)極片直徑略小于負(fù)極殼直徑，CR2032的鋰片直徑為15.8mm，對(duì)應(yīng)的正極片也是15.8mm。值得注意的是：鋰片比較柔軟，容易變形，所以在裝電池前可以用正極殼（因?yàn)樗容^大）將變形的鋰片壓平整。而且金屬鋰在空氣中極易氧化變質(zhì)，遇水容易爆炸，所以購買回來的金屬鋰片需要在手套箱中打開，打開時(shí)注意，不要損壞手套。
1.5墊片
墊片為圓形的鋁片，直徑與鋰片大小一樣，實(shí)驗(yàn)中，可以根據(jù)需求購買不同規(guī)格和厚度等。
注意：墊片、正負(fù)極殼等組件，在使用前要用酒精反復(fù)超聲清洗，然后鼓風(fēng)干燥箱烘干
1.6彈片（支撐片）
彈片主要是起到支撐電池的作用，如果沒有彈片，在壓電池的步驟中會(huì)把電池壓的很扁，內(nèi)部組件可能被壓壞。彈片只在負(fù)極側(cè)加，但是若正負(fù)極都加了彈片，壓電池步驟中不能將扣電封閉，導(dǎo)致電解液與空氣接觸，而實(shí)驗(yàn)失敗。
圖5彈片（支撐片）
1.7電解液
不同的材料一般對(duì)應(yīng)不同的電解液，在進(jìn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)千萬不要圖省事將就，小批量的電解液可以找公司索要，一般都會(huì)給。個(gè)別特殊的電解液，如低溫電解液等，可能需要購買，價(jià)格還不低。
二.扣式電池的組裝
2.1正極片的制備
極片的制備主要分為兩個(gè)步驟：（1）漿料的制備；（2）涂布、干燥、壓片等步驟。
2.1.1漿料的制備（以磷酸鐵鋰為例）
實(shí)驗(yàn)室一般采用正極材料：導(dǎo)電劑：粘結(jié)劑的質(zhì)量比為80：10：10。當(dāng)然，這個(gè)比例可以自由調(diào)節(jié)，但調(diào)整過程需要大量的試錯(cuò)。但一般來說，正極材料不低于75，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑不低于5。有時(shí)候?yàn)榱诉_(dá)到高倍率性能，有報(bào)道中導(dǎo)電劑比例有達(dá)到40的情況。
若制備的正極材料較少，可以將三種物質(zhì)按比例混合，用吸管假如逐滴假如NMP，然后小研缽中研磨，這個(gè)過程中要注意溶劑NMP的量，若NMP加入的過多，可以在紅外紅燈下適當(dāng)烘干。
活性物質(zhì)較多時(shí)，取0.4g活性物質(zhì)，相應(yīng)的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的量為0.05g，使用20*20或者20*40規(guī)格的稱量瓶，先后加入NMP、活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，加入次序影響最終極片的制備質(zhì)量。根據(jù)《扣式鋰離子電池的制備工藝研究》以及一些研友的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，按以下次序添加各物質(zhì)，效果最好。
NMP和PVDF溶液的配制
首先，配制NMP和PVDF的溶液，這樣在每次配制漿料時(shí)能節(jié)省很多時(shí)間，可以配制0.02g/ml、0.025g/ml和0.03g/ml的三種，選擇合適自己材料的濃度使用。配制方法很簡單，只需要將兩種物質(zhì)在廣口瓶中混合就行，通過磁力攪拌，溶液中沒有白色物質(zhì)就行。需要注意的是：配制結(jié)束后，廣口瓶要通過封口膠密封，因?yàn)镹MP容易吸水或者變質(zhì)。
漿料的配置步驟：
第一步：用移液槍量取2ml的0.025g/ml的NMP/PVDF溶液，放入D15攪拌子進(jìn)行磁力攪拌；
第二步：稱取0.05g導(dǎo)電劑SuperP緩慢加入稱量瓶中，攪拌20min。加入過程中盡量不要使導(dǎo)電劑碰到上側(cè)瓶壁，更不要因?yàn)榧尤氲奶於箤?dǎo)電劑散出稱量瓶。
第三步：稱取0.4g活性物質(zhì)，加入稱量瓶中。注意事項(xiàng)同上，加入后攪拌4-5小時(shí)，攪拌時(shí)間不固定，以漿料粘稠狀態(tài)為準(zhǔn)。
另有報(bào)道，在磁力攪拌后，進(jìn)行15min的超聲攪拌，性能更好。
何種漿料狀態(tài)為最好？
一般來說，輕輕晃動(dòng)稱量瓶，混合物既不是粘度很高無法流動(dòng)，又不是像水一樣易動(dòng)而不掛壁即可。太稠可以加入一滴NMP繼續(xù)攪拌一會(huì)兒，一般一滴就足夠了。太稀可以將稱量瓶放入鼓風(fēng)干燥箱烘干一會(huì)兒。
也可使用王琦師兄的配料方式，不過這種方式耗時(shí)較長。
注意：第二三步的順序盡量不要顛倒。
2.1.2極片的涂布
一般使用刮刀和流延涂覆機(jī)，進(jìn)行涂布，正極材料涂布在鋁箔上，負(fù)極涂布在銅箔上。沒有涂覆機(jī)的同學(xué)可以使用玻璃板和刮刀進(jìn)行涂布。涂布過程比較簡單，但是需要注意以下幾點(diǎn)
（1）鋁箔需要平整，要盡可能的減少褶皺；（2）涂布前要用酒精和脫脂棉仔細(xì)清潔鋁箔和涂覆機(jī)平臺(tái)；（3）脫脂棉清潔后要用衛(wèi)生紙小心清潔一次，一來去掉可能存在的棉絮二來不要?jiǎng)潅X箔。
2.1.3極片的干燥和壓片
之所以要單列一節(jié)，是因?yàn)檫@是個(gè)需要嚴(yán)格執(zhí)行的過程，但是干燥溫度可以有變化。另外,極片質(zhì)量的好壞可以用掉粉程度來衡量,若掉粉容易,電池在循環(huán)過程中,活性物質(zhì)會(huì)從鋁箔上脫落,溶解在電解液里,隔膜會(huì)被染黑。
干燥的目的在于去除漿料中大量的溶劑NMP以及其中的水分，所以要經(jīng)過鼓風(fēng)干燥和真空干燥兩個(gè)步驟。每個(gè)步驟的具體溫度和時(shí)間，不同工作中有不同的報(bào)道，但需要注意：
（1）干燥NMP的溫度不需要太高，但由于溶劑太多，需要較多的熱量，所以干燥時(shí)間較長；
（2）由于水的沸點(diǎn)是100℃，所以鼓風(fēng)干燥的溫度需要較高，但由于水分含量較少，干燥時(shí)間可以縮短，在鼓風(fēng)干燥時(shí)，可以設(shè)置兩個(gè)溫度段，每個(gè)溫度時(shí)間不同，最高溫度可以設(shè)置為100℃。另外負(fù)極的干燥溫度應(yīng)低于正極，有時(shí)候出現(xiàn)銅箔氧化的現(xiàn)象；
注意：干燥溫度過高和時(shí)間過長，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的掉粉行為，關(guān)于鼓風(fēng)干燥的溫度，正極不應(yīng)超過120℃，負(fù)極不超過90℃。
（3）鼓風(fēng)干燥后，要經(jīng)過真空干燥，溫度一般設(shè)定為120℃，時(shí)間10小時(shí)左右。但不可以不經(jīng)過鼓風(fēng)干燥直接進(jìn)行真空干燥，這樣操作會(huì)導(dǎo)致NMP充滿于真空干燥箱內(nèi)，而使干燥效果不好。不經(jīng)過真空干燥也是可以的，但是有條件的最好不要省略這個(gè)步驟。
2.1.4壓片
涂布后，干燥出的復(fù)合材料涂層比較疏松。若直接使用，被電解液浸潤后容易脫落損壞?？刹捎脤?duì)輥機(jī)或者壓片機(jī)等進(jìn)行壓片處理，對(duì)輥機(jī)一般可將正極片涂層壓制到15-60μm。壓片機(jī)可以采用大約80-120kg/cm2壓強(qiáng)進(jìn)行壓制。壓片后的電極，穩(wěn)定性、牢固性以及電化學(xué)性能都獲得了改善，測(cè)試表現(xiàn)要好于不壓片的樣本。壓片主要目的有兩個(gè)：一是為了消除毛刺，使表面光滑、平整，防止裝電池時(shí)毛刺刺破隔膜引起短路；二是增強(qiáng)極片的強(qiáng)度，減小歐姆阻抗。壓力過大會(huì)引起極片的卷曲，不利于電池裝配，壓力過小又起不到壓片的作用。
裁剪隔膜、極片以及活性物質(zhì)含量計(jì)算的步驟在此忽略，較為簡單，有問題請(qǐng)?jiān)诓牧先宋⑿呕蛘卟牧吓ＴW(wǎng)頁留言。
2.1扣式電池的組裝
2.1.1必備物品：
手套箱內(nèi)：壓片機(jī)(最好帶數(shù)顯)、鑷子2把（至少有一把是塑料鑷子）、藥匙1把、電解液、鋰片、磨口玻璃瓶(配膠頭滴管)、注射器、干燥紙巾等清潔用品；
手套箱外：扣式電池殼、集電器、彈簧片（或泡沫鎳）、正極片、隔膜片；
注意：電池組裝部件在放入手套箱中之前，要進(jìn)行4小時(shí)左右的真空干燥處理，溫度不宜太高，可以設(shè)置在60-80℃溫度。容量較大的手套箱可事先這些存儲(chǔ)電池部件，更清潔。原料入進(jìn)箱艙門后，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行排氣-進(jìn)氣操作，至少三次。建議在手套箱內(nèi)專門放一個(gè)小型操作臺(tái)，以防試劑腐蝕手套箱。電解液對(duì)于手套和手套箱內(nèi)壁的腐蝕比較嚴(yán)重，應(yīng)該盡量避免操作失誤。
2.1.2確定水氧含量
一般的手套箱都有水氧含量的數(shù)顯檢測(cè)儀，布萊恩的手套箱水氧含量可以控制在低于0.05PPM，但不同手套箱的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。組裝電池的過程，都在已經(jīng)嚴(yán)格進(jìn)行了排氣-進(jìn)氣操作的手套箱中，嚴(yán)格隔絕任何可能的氧化、潮濕等干擾。若手套箱的水氧含量一直較高，應(yīng)該檢查手套是否破損或者對(duì)手套箱進(jìn)行再生。
2.1.3組裝過程
扣式電池組裝次序主要有兩種，我們實(shí)驗(yàn)室一般習(xí)慣從負(fù)極殼開始，但也可以從正極殼開始，這個(gè)沒有對(duì)錯(cuò)之分，全看個(gè)人習(xí)慣。
|負(fù)極殼|彈片|墊片丨鋰片丨電解液|隔膜|電解液|正極片|墊片丨正極殼|
三.一些問題出現(xiàn)的原因
電池組裝后，在測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些問題，以下是可能遇到的問題以及部分解釋
3.1開路電壓低的原因
（1）極片的毛刺穿破隔膜，造成電池短路；
（2）電池裝配過程中，正負(fù)極偏移，導(dǎo)致短路；
（3）壓電池步驟出錯(cuò)，導(dǎo)致電池裝配不緊密，電池正負(fù)極外殼與正負(fù)極片虛接，造成短路。
3.2電化學(xué)阻抗大
（1）導(dǎo)電劑添加量不夠；
（2）隔膜的孔隙率小，使得電解液中的鋰離子不能能夠順利通過；
（3）電解液分解，其中的鋰鹽減少。
電池的組裝是一個(gè)熟能生巧的過程，前一兩次裝壞幾個(gè)電池是一件很正常的事，不要灰心。
二，軟包電池
軟包電芯，其實(shí)就是使用了鋁塑包裝膜作為包裝材料的電芯。相對(duì)來說，鋰離子電池的包裝分為兩大類，一類是軟包電芯，一類是金屬外殼電芯。金屬外殼電芯又包括了鋼殼與鋁殼等等，近年來由于特殊需要有的電芯采用塑料外殼的，也可以劃為此類。
二者的差別除了外殼材料不同，決定了其封裝方式也不同。軟包電芯采用的是熱封裝，而金屬外殼電芯一般采用焊接(激光焊)。軟包電芯可以采用熱封裝的原因是其使用了鋁塑包裝膜這種材料。
鋁塑包裝膜
鋁塑包裝膜(簡稱鋁塑膜)的構(gòu)成見圖，其截面上來看有三層構(gòu)成：尼龍層、Al層與PP層。
三層各有各的作用，首先尼龍層是保證了鋁塑膜的外形，保證在制造成鋰離子電池之前，膜不會(huì)發(fā)生變形。
Al層就是一層金屬Al構(gòu)成，其作用是防止水的滲入。鋰離子電池很怕水，一般要求極片含水量都在PPM級(jí)，所以包裝膜一定能夠擋住水氣的滲入。尼龍不防水，無法起到保護(hù)作用。而金屬Al在室溫下會(huì)與空氣中的氧反應(yīng)生成一層致密的氧化膜，導(dǎo)致水氣無法滲入，保護(hù)了電芯的內(nèi)部。Al層在鋁塑膜成型的時(shí)候還提供了沖坑的塑性，這個(gè)詳見第3點(diǎn)。
PP是聚丙烯的縮寫，這種材料的特性是在一百多攝氏度的溫度下會(huì)發(fā)生熔化，并且具有黏性。所以電池的熱封裝主要靠的就是PP層在封頭加熱的作用下熔化黏合在一起，然后封頭撤去，降溫就固化黏結(jié)了。
鋁塑膜看上去很簡單，實(shí)際做起來，如何把三層材料均勻地、牢固地結(jié)合在一起也不是那么容易的事。很遺憾的是，現(xiàn)在質(zhì)量好的鋁塑膜基本上都是日本進(jìn)口的，國產(chǎn)的不是沒有，但質(zhì)量還有待改進(jìn)。
鋁塑膜成型工序
軟包電芯可以根據(jù)客戶的需求設(shè)計(jì)成不同的尺寸，當(dāng)外形尺寸設(shè)計(jì)好后，就需要開具相應(yīng)的模具，使鋁塑膜成型。成型工序也叫作沖坑(其實(shí)個(gè)人覺得應(yīng)該是“銃坑”，但大家都這么寫就隨俗吧)，顧名思義，就是用成型模具在加熱的情況下，在鋁塑膜上沖出一個(gè)能夠裝卷芯的坑，具體的見下圖。
鋁塑膜沖好并裁剪成型后，一般稱為Pocket袋，見下圖所示。一般在電芯較薄的時(shí)候選擇沖單坑(下圖左)，在電芯較厚的時(shí)候選擇沖雙坑(下圖右)，因?yàn)橐贿叺淖冃瘟刻髸?huì)突破鋁塑膜的變形極限而導(dǎo)致破裂。
有時(shí)候根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，會(huì)在氣袋的位置再?zèng)_一個(gè)小坑，以擴(kuò)大氣袋的體積。
