锂电设计和分析.docx

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锂电设计和分析

三、电池不良项目及成因：

1.容量低

产生原因：

a. 附料量偏少；            b. 极片两面附料量相差较大；         c. 极片断裂；

d. 电解液少；              e. 电解液电导率低；                 f. 正极与负极配片未配好；

g. 隔膜孔隙率小；          h. 胶粘剂老化→附料脱落；           i.卷芯超厚（未烘干或电解液未渗透）

j. 分容时未充满电；        k. 正负极材料比容量小。

2.内阻高

产生原因：

a. 负极片与极耳虚焊；     b. 正极片与极耳虚焊；            c. 正极耳与盖帽虚焊；

d. 负极耳与壳虚焊;        e. 铆钉与压板接触内阻大；        f. 正极未加导电剂；

g. 电解液没有锂盐；       h. 电池曾经发生短路；            i. 隔膜纸孔隙率小。

3.电压低

产生原因：

a. 副反应（电解液分解；正极有杂质；有水）；                 b. 未化成好（SEI膜未形成安全）；

c. 客户的线路板漏电（指客户加工后送回的电芯）；             d. 客户未按要求点焊（客户加工后的电芯）；

e. 毛刺；               f. 微短路；                         g. 负极产生枝晶。

4.超厚

产生超厚的原因有以下几点:

a. 焊缝漏气;            b. 电解液分解;                       c. 未烘干水分;

d. 盖帽密封性差;        e. 壳壁太厚;                         f. 壳太厚;

g. 卷芯太厚（附料太多；极片未压实；隔膜太厚）。

5.成因有以下几点

 a. 未化成好（SEI膜不完整、致密）；                      b. 烘烤温度过高→粘合剂老化→脱料；    c. 负极比容量低；

d. 正极附料多而负极附料少；                              e. 盖帽漏气，焊缝漏气；          f. 电解液分解，电导率降低。

6.爆炸

a.分容柜有故障（造成过充）；                             b. 隔膜闭合效应差;         c. 内部短路

7.短路

 a. 料尘；                                             b. 装壳时装破；                        c. 尺刮（小隔膜纸太小或未垫好）;

d. 卷绕不齐；                                        e. 没包好；                            f. 隔膜有洞;             g. 毛刺

8.断路 

a）极耳与铆钉未焊好，或者有效焊点面积小；

b）连接片断裂（连接片太短或与极片点焊时焊得太靠下） 

电池基本知识及生产控制

一、电芯原理

    锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳定。

其反应示意图及基本反应式如下所示：

二、电芯的构造

    电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。

    根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。

通过研究发现当X>0.5时Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V那么X小于0.5 ，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。

负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中，心以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则电芯的压倒很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。

所以锂电芯的安全充电上限电压≤4 .2V，放电下限电压≥2.5V。

三、电芯的安全性

    电芯的安全性与电芯的设计、材料及生产工艺生产过程的控制等因素密切相关。

在电芯的充放电过程中，正负极材料的电极电位均处于动态变化中，随着充电电压的增高，正极材料（LixCoO2）电位不断上升，嵌锂的负极材料（LixC6）电位首先下降，然后出现一个较长的电位平台，当充电电压过高（ >4.2V）或由于负极活性材料面密度相对于正极材料面密度（C/A）比值不足时,负极材料过度嵌锂，负极电位则迅速下降，使金属锂析出（正常情况下则不会有金属锂的的析出），这样会对电芯的性能及安全性构成极大的威胁。

电位变化见下图：

     在材料已定的情况下，C/A太大，则会出现上述结果。

相反，C/A太小，容量低，平台低，循环特性差。

这样，在生产加工中如何保证设计好的C/A比成了生产加工中的关键。

所以在生产中应就以下几个方面进行控制：

    1.负极材料的处理

    1）将大粒径及超细粉与所要求的粒径进行彻底分离，避免了局部电化学反应过度激烈而产生负反应的情况，提高了电芯的安全性。

    2）提高材料表面孔隙率，这样可以提高10%以上的容量，同时在C/A 比不变的情况下，安全性大大提高。

处理的结果使负极材料表面与电解液有了更好的相容性，促进了SEI膜的形成及稳定上。

    2.制浆工艺的控制

    1）制浆过程采用先进的工艺方法及特殊的化学试剂，使正负极浆料各组之间的表面张力降到了最低。

提高了各组之间的相容性，阻止了材料在搅拌过程“团聚”的现象。

    2）涂布时基材料与喷头的间隙应控制在0.2mm以下，这样涂出的极板表面光滑无颗粒、凹陷、划痕等缺陷。

    3）浆料应储存6小时以上，浆料粘度保持稳定，浆料内部无自聚成团现象。

均匀的浆料保证了正负极在基材上分布的均匀性，从而提高了电芯的一致性、安全性。

    3.采用先进的极片制造设备

    1）可以保证极片质量的稳定和一致性，大大提高电芯极片均一性，降低了不安全电芯的出现机率。

    2）涂布机单片极板上面密度误差值应小于±2%，极板长度及间隙尺寸误差应小于2mm。

    3）辊压机的辊轴锥度和径向跳动应不大于4μm，这样才能保证极板厚度的一致性。

设备应配有完善的吸尘系统，避免因浮尘颗粒而导致的电芯内部微短路，从而保证了电芯的自放电性能。

    4）分切机应采用切刀为辊刀型的连续分切设备，这样切出的极片不存在荷叶边，毛刺等缺陷。

同样设备应配有完善的吸尘系统，从而保证了电芯的自放电性能。

    4.先进的封口技术

    目前国内外方形锂离子电芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技术，它是利用YAG棒（钇铝石榴石）激光谐振腔中受强光源（一般为氮灯）的激励下发出一束单一频率的光（λ=1.06mm）经过谐振折射聚焦成一束，再把聚焦的焦点对准电芯的筒体和盖板之间，使其熔化后亲    合为一体，以达到盖板与筒体的密封熔合的目的。

为了达到密封焊，必须掌握以下几个要素：

    1）必须有能量大、频率高、聚焦性能好、跟踪精度高的激光焊机。

    2）必须有配合精度高的适用于激光焊的电芯外壳及盖板。

    3）必须有高统一纯度的氮气保护，特别是铝壳电芯要求氮气纯度高，否则铝壳表面就会产生难以熔化的Al2O3（其熔点为2400℃）。

四、电芯膨胀原因及控制

    锂离子电芯在制造和使用过程中往往会有肿胀现象，经过分析与研究，发现主要有以下两方面原因：

    1.锂离子嵌入带来的厚度变化

    电芯充电时锂离子从正极脱出嵌入负极，引起负极层间距增大，而出现膨胀，一般而言，电芯越厚，其膨胀量越大。

    2.工艺控制不力引起的膨胀

    在制造过程中，如浆料分散、C/A比离散性、温度控制都会直接影响电芯电芯的膨胀程度。

特别是水，因为充电形成的高活性锂碳化合物对水非常 敏感，从而发生激烈的化学反应。

反应产生的气体造成电芯内压升高，增加了电芯的膨胀行为。

所以在生产中，除了应对极板严格除湿外，在注液过程中更应采用除湿设备，保证空气的干燥度为HR2%，露点（大气中的湿空气由于温度下降,使所含的水蒸气达到饱和状态而开始凝结时的温度）小于-40℃。

在非常干燥的条件下，并采取真空注液，极大地降低了极板和电解液的吸水机率。

五、铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较

     铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势， 

   注：

压力是电芯压力为电芯内部之压力（单位：

Kg），表内数据为电芯之厚度（单位：

mm）由此可见钢壳对内压反映十分迟钝，而铝壳对内压反应却十分敏锐。

因此从厚度上就基本能判断出电芯的内压，而钢壳电芯往往隐含着内压带来的不安全隐患。

其中钢壳电芯型号为063448。

第三节 锂离子电池保护线路（PCM）

    由第二节锂离子电芯的知识我们可以看出,锂离子电池至少需要三重保护-----过充电保护,过放电保护,短路保护,那么就应而产生了其保护线路,那么这个保护线路针对以上三个保护要求而言:

     过充电保护:

 过充电保护 IC 的原理为：

当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。

此时，保护 IC 需检测电池电压，当到达 4.25V 时（假设电池过充点为 4.25V）即启动过度充电保护，将功率 MOS 由开转为切断，进而截止充电。

     过放电保护:

 过放电保护 IC 原理：

为了防止锂电池的过放电，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过放电电压检测点（假定为 2.5V）时将启动过放电保护，使功率 MOSFET 由开转变为切断而截止放电，以避免电池过放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅 0.1uA。

 当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。

另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。

    过放电保护及过充电保护IC主要生产厂家有:

美上美（MITSUMI）,精工,台湾富晶（DW01,FS301,302）,理光,MOTOROLA等封装形式主要为SOT26,SOT6

    过电流及短路电流

    因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。

 过电流保护 IC 原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护 IC 将启动过（短路）电流保护，此时过电流的检测是将功率 MOSFET 的 Rds（on） 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为:

    V- = I × Rds（on） × 2（V- 为过电流检测电压，I 为放电电流）。

    假设 V- = 0.2V，Rds（on） = 25mΩ，则保护电流的大小为 I = 4A（小学没毕业吧？

）

   同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。

    通常在过电流产生后，若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离），将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。

三、 电池不良项目及成因：

1.容量低

产生原因：

a. 附料量偏少； b. 极片两面附料量相差较大； c. 极片断裂；

d. 电解液少； e. 电解液电导率低； f. 正极与负极配片未配好；

g. 隔膜孔隙率小； h. 胶粘剂老化→附料脱落； i.卷芯超厚（未烘干或电解液未渗透）

j. 分容时未充满电； k. 正负极材料比容量小。

2.内阻高

产生原因：

a. 负极片与极耳虚焊； b. 正极片与极耳虚焊； c. 正极耳与盖板虚焊；

d. 负极耳与盖帽虚焊; e. 铆钉与压板接触内阻大； f. 正极未加导电剂；

g. 电解液锂盐含量低； h. 电池曾经发生短路； i. 隔膜纸孔隙率小。

3.电压低

产生原因：

a. 副反应（电解液分解；正极有杂质；有水）； b. 未化成好（SEI膜未形成安全）；

c. 客户的线路板漏电（指客户加工后送回的电芯）； d. 客户未按要求点焊（客户加工后的电芯）；

e. 毛刺； f. 微短路； g. 负极产生枝晶。

4.超厚

产生超厚的原因有以下几点:

a. 焊缝漏气; b. 电解液分解; c. 未烘干水分;

d. 盖帽密封性差; e. 壳壁太厚; f. 壳太厚;

g. 卷芯太厚（附料太多；极片未压实；隔膜太厚）。

5.成因有以下几点

a. 未化成好（SEI膜不完整、致密）； b. 烘烤温度过高→粘合剂老化→脱料； c. 负极比容量低；

d. 正极附料多而负极附料少； e. 盖帽漏气，焊缝漏气； f. 电解液分解，电导率降低。

6.爆炸

a. 分容柜有故障（造成过充）； b. 隔膜闭合效应差; c. 内部短路

7.短路

a. 料尘； b. 装壳时装破； c. 毛刺;

d. 卷绕不齐； e. 没包好； f. 隔膜有洞; 

8.断路 

a） 极耳与铆钉未焊好，或者有效焊点面积小；

b） 连接片断裂（连接片太短或与极片点焊时焊得太靠下） 

四、 各工序控制重点

（一） 配料：

1.溶液配制：

a） PVDF（或CMC）与溶剂NMP（或去离子水）的混合比例和称量；

b） 溶液的搅拌时间、搅拌频率和次数（及溶液表面温度）；

c） 溶液配制完成后,对溶液的检验:

粘度（测试）\溶解程度（目测）及搁置时间;

d） 负极:

SBR+CMC溶液,搅拌时间和频率。

2.活性物质:

a） 称量和混合时监控混合比例、数量是否正确；

b） 球磨：

正负极的球磨时间；球磨桶内玛瑙珠与混料的比例；玛瑙球中大球与小球的比例；

c） 烘烤：

烘烤温度、时间的设置；烘烤完成后冷却后测试温度。

d） 活性物质与溶液的混合搅拌：

搅拌方式、搅拌时间和频率。

e） 过筛：

过100目（或150目）分子筛。

f） 测试、检验：

对浆料、混料进行以下测试：

固含量、粘度、混料细度、振实密度、浆料密度。

（二）涂布

1.集流体的首检:

a） 集流体规格（长宽厚）的确认;

b） 集流体标准（实际）重量的确认;

c） 集流体的亲（疏）水性及外观（有无碰伤、划痕和破损）。

2.敷料量（标准值、上、下限值）的计算：

a） 单面敷料量（以接近此标准的极片厚度确定单面厚度）；

b） 双面敷料量（以最接近此标准的极片厚度确定双面的极片厚度。

）

3.浆料的确认:

是否过稠（稀）\流动性好,是否有颗粒,气泡过多,是否已干结.

4.极片效果:

a） 比重（片厚）的确认;

b） 外观:

有无划线、断带、结料（滚轮或极片背面）是否积料过厚，是否有未干透或烤焦，有无露铜或异物颗粒；

5.裁片：

规格确认有无毛刺，外观检验。

（三）制片（前段）：

1.压片：

a） 确认型号和该型号正、负极片的标准厚度；

b） 最高档次极片压片后（NO.1或NO.1及NO.2）的厚度、外观有无变形、起泡、掉料、有无粘机、压叠。

c） 极片的强度检验；

2.分片：

a） 刀口规格、大片极片的规格（长宽）、外观确认；

b） 分出的小片宽度；

c） 分出的小片有无毛刺、起皱、或裁斜、掉料（正）。

3.分档称片：

a） 称量有无错分；

b） 外观检验：

尺寸超差（极片尺寸、掉料、折痕、破损、浮料、未刮净等）。

4.烘烤:

a） 烤箱温度、时间的设置；

b） 放N2、抽真空的时间性效果（目测仪表）及时间间隔。

（四）制片后段：

1.铝带、镍带的长度、宽度、厚度的确认；

2.铝带、镍带的点焊牢固性；

3.胶纸必须按工艺要求的公差长度粘贴；

4.极片表面不能有粉尘。

（五）盖帽

1.裁连接片：

测量尺寸规格、检查有无毛刺、压伤；

2.清洗连接片：

检查连接片是否清洗干净；

3.连接片退火：

检查有无用石墨粉覆盖，烤炉温度，放入取出时间；

4.组装盖帽：

检查各种配件是否与当日型号相符，装配是否到位；

5.冲压盖帽：

检查冲压高度及外观；

6.全检：

对前工序员工自检检查的效果进行复核，防止不良品流入下一工序；

7.折连接片：

检查有无漏折、断裂、有无折到位；

8.点盖帽：

检查有无漏点、虚点、点穿；

9.全检：

对前工序员工自检检查的效果进行复核，防止不良品流入下一工序；

10.套套管：

检查尺寸、套管位置；

11.烘烤：

烘烤温度、时间、烘烤效果。

（六）卷绕

1.各型号的识别、隔膜纸、卷尺的规格、钢（铝）壳的卷绕注意事项；

2.结存极片的标识状态；

3.点负极的牢固度（钢、铝壳）；铝壳正极的牢固性、负极的外观；

4.绝缘垫片的放置；

5.折、压合盖帽（铝壳）注意杂物外露和铝壳外观的维护；

6.定盖工位：

偏移度。

?

注意先下拉先生产。

（七）焊接

1.钢、铝壳电池焊接时注意沙孔；

2.焊接铝壳的调试、焊接时抽查的测试；

3.检漏工位；

4.打胶。

?

注意先下拉先生产。

（八）注液

1.各种型号注液量；

2.手套箱内的湿度和室内湿度；

3.电池水分测试及放气和抽真空时间；

4.烘烤前电池在烤箱放置注意事项；

5.烘烤12小时后电池上下层换位；

6.电池注液前后的封口。

（九）检测

1.分容、化成参数的设置；

2.化成时电解液流出员工有没有及时擦掉；

3.监督生产部新员工的操作；

4.注液组下来的电芯上注液孔是否有胶纸脱落；

5.各种实验电池是否明显标识区分；

6.提前亮灯的点要查明原因；

7.爆炸后该点的校对；

8.钢、铝壳柜的区分；

9.封口时哪些型号要倒转来挤压

10.封口挤压是否使铝电芯变形；

11.封口后上否及时清洗；

12.夹具头是否清洁，是否有锈蚀；

13.连接电脑的柜子爆炸后电压的查询，该点电压电流曲线的情况汇的；

14.搁置、老化和封口区的环境温湿度。

（十）包装

1.对有的客户抱怨过容量低的要加2分钟容量;

2.对天宇这个客户要控制尺寸的下限;

3.型号电池更改时是否清理整条拉,防止混料;

4.检出的不良品是否用红色周转盒子装，是否明显标识；

5.订单上有特别要求的是否得到员工的理解和执行；

6.喷码内容是否正确，喷码方向和位置是否正确；

7.压板和铆钉上是否有胶；

8.检测仪器是否在有效期内，防止失准仪器在线上使用（针对所有工位）。

化学电源的组成 化学电源在实现能量的转换过程中，必须具有两个必要的条件：

一. 组成化学电源的两个电极上进行的氧化还原过程，必须分别在两个分开的区域进行，这一点区别于一般的氧化还原反应。

二. 两电极的活性物质进行氧化还原反应时所需电子必须由外线路传递，这一点区别于金属腐蚀过程的微电池反应。

为了满足以上的条件，任何一种化学电源均由以下四部分组成：

1、 电极电池的核心部分，它是由活性物质和导电骨架所组成。

活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，是化学电源产生电能的源泉，是决定化学电源基本特性的重要部分。

对活性物质的要求是：

1） 组成电池的电动势高；

2） 电化学活性高，即自发进行反应的能力强；

3） 重量比容量和体积比容量大；

4） 在电解液中的化学稳定性高；

5） 具有高的电子导电性；

6） 资源丰富，价格便宜。

2、 电解质电池的主要组成之一，在电池内部担负着传递正负极之间电荷的作用，所以势一些具有高离子导电性的物质。

对电解质的要求是：

1） 稳定性强，因为电解质长期保存在电池内部，所以必须具有稳定的化学性质，使储藏期间电解质与活性物质界面的电化学反应速率小，从而使电池的自放电容量损失减小；

2） 比电导高，溶液的欧姆压降小，使电池的放电特性得以改善。

对于固体电解质，则要求它只具有离子导电性，而不具有电子导电性。

3、 隔膜也叫隔离物。

置于电池两极之间。

隔膜的形状有薄膜、板材、棒材等。

其作用是防止正负极活性物质直接接触，造成电池内部短路。

对于隔膜的要求是：

1） 在电解液中具有良好的化学稳定性和一定的机械强度，并能承受电极活性物质的氧化还原作用；

2） 离子通过隔膜的能力要大，也就是说隔膜对电解质离子运动的阻力要小。

这样，电池内阻就相应减小，电池在大电流放电时的能量损耗减小；

3） 应是电子的良好绝缘体，并能阻挡从电极上脱落活性物质微粒和枝晶的生长；

4） 材料来源丰富，价格低廉。

常用的隔膜材料有棉纸、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维、水化纤维素、接枝膜、尼龙、石棉等。

可根据化学电源不同系列的要求而选取。

锂离子电池设计的一些物理参数：

负极片：

集电极：

铜箔，厚度10-12um

膜材料配比：

石墨/super-C//pvdf-761/=90/1/9

石墨比容量：

320-340mAh/g

负极总容量比正极总容量多不大于10％

单层膜厚：

65um

压实密度：

1.5-1.6g/cm3,

面密度：

8.5-9mg/cm2

容量密度：

3mAh/cm2

正极：

集电极：

铝箔，厚度18um

膜材料配比：

LiCoO2/super-C/KS-6/pvdf761/=88/4/2/6

LiCoO2比容量：

140mAh/g

单层膜厚：

60um

压实密度：

4g/cm3,

面密度：

24mg/cm2

容量密度：

3mAh/cm2

隔膜：

celgard ,小型电池为25um;          动力电池为35－45um

电解质液：

EC/DEC/EMC/DMC/ 1M LiPF6     电解液加入量 按每320mAh加1克电解液；

成品电池折拆分析

1、正极暗红色不一定是铜被电镀了。

2、负极暗红色，在正常充满电或半充电状态，当负极片干了以后，呈安红色为正常现象。

如果是在无电情况下，则电池不正常。

3、负极表面有银白色金属光泽物质：

A、你这个原因也是有的，但也可能是上料不均匀造成的，极片有毛刺，造成微短路电池也会产生此现象，隔膜质量不行，厚度不均匀同样存在此现象；B、极耳处，是为枝晶，是由于极耳未焊牢固所致；C、电解液渗透确实存在，但也有可能为原材料有颗粒或什么的原因，造成上料不均匀所致；D、那就是电池本身存在很大的问题，在整个制作过程可能存在问题，压实密度高也是原因之一；

4、负极片上下边缘1cm左右颜色为暗黑色，是由于你们的制程和材料体系有问题，你们现在的负极片只有与正极片相对应的负极区域发挥了容量，而多出部分没有发挥容量，必须改进你们制程及材料体系；靠内部为红黄色，中心位置为银白色，在300个循环以后，国内很多厂家都这样，均不同程度上会出现这个现象。

电解液渗透问题当然也是其中之一了，

5、估计是水分过多，除水工序正常难道就不会出现这个情况吗？

要是电解液本身水分超标了。

电池的化成，有的采用常温化成，有的采用高温化成，这两种化成各有什么优缺点？

主要区别应该是SEI膜的厚度和致密程度吧，高温化成形成的SEI较厚但不致密，消耗的锂比较多，常温或低温形成的较薄切致密，《电池》杂志上有一篇文章就是讲高低温化成的，可以参考一下

偶尔此配方,大家一起来研究!

负极配方：

CMS：

CMC：

SBR：

Super-P＝94.5：

2.25：

2.25：

1

电解液：

1M-LiPF6 EC/DMC/EMC

负极设计比容量：

300mAh/g

正极设计