锂离子电池原理不良项目及成因涂布方法和充电Word文档格式.docx
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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，其外部表现为电芯的压倒终结。
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。
3.0工作原理
锂离子电池内部成螺旋型结构，正极与负极之间由一层具有许多细微小孔的薄膜纸隔开。
锂离子电芯是一种新型的电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中，只有锂离子在正负极间往来运动，电极和电解质不参与反应。
锂离子电芯的能量容量密度可以达到300Wh/L，重量容量密度可以达到125Wh/L。
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。
锂离子电池的正极采用钴酸锂，正极集流体是铝箔；
负极采用碳，负极集流体是铜箔，锂离子电池的电解液是溶解了LiPF6的有机体。
锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生茶鞥的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈现层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样道理，党对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，有运动回到正极。
回到正极的锂离子越多，放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
锂离子电池盖帽上有防爆孔，在内部压力过大的情况下，防爆孔会自动打开泄压，以防止出现爆炸的现象。
锂离子电池的性能
１、高能量密度
与同等容量的ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池相比，锂离子电池的重量轻，其体积比能量是这两类电池的１.５～２倍。
２、高电压
锂离子电池使用高电负性的含元素锂电极，使其端电压高达３.７Ｖ，这一电压是ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池电压的３倍。
３、无污染，环保型
４、循环寿命长
寿命超过５００次
５、高负载能力
锂离子电池可以大电流连续放电，从而使这种电池可被应用于摄象机、手提电脑等大功率用电器上。
６、优良的安全性
由于使用优良的负极材料，克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题，使得锂离子电池的安全性大大提高。
同时采用特殊的可恢复配件，保证了电池在使用过程中的安全性。
※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℃）。
3.1
充电过程
如上图一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。
正极上发生的反应为
LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe（电子）
负极上发生的反应为
6C+XLi++Xe=====LixC6
3.2
电池放电过程
放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。
由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。
电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。
二、工艺流程
锂离子电池的工艺技术非常严格、复杂，这里只能简单介绍一下其中的几个主要工序。
1、制浆：
用专门的溶剂和粘结剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。
2涂膜：
将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正负极极片。
3、装配：
按正极片—隔膜—负极片—隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕支持呢个电池极芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。
4、化成：
用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。
锂离子电池配料的基本知识
一、电极的组成：
1、正极组成：
a、钴酸锂：
正极活性物质，锂离子源，为电池提高锂源。
b、导电剂：
提高正极片的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性。
提高正极片的电解液的吸液量，增加反应界面，减少极化。
c、PVDF粘合剂：
将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。
d、正极引线：
由铝箔或铝带制成。
2、负极组成：
a、石墨：
负极活性物质，构成负极反应的主要物质；
主要分为天然石墨和人造
石墨两大类。
提高负极片的导电性，补偿负极活性物质的电子导电性。
提高反应深度及利用率。
防止枝晶的产生。
利用导电材料的吸液能力，提高反应界面，减少极化。
（可根据石墨粒度分布选择加或不加）。
c、添加剂：
降低不可逆反应，提高粘附力，提高浆料黏度，防止浆料沉淀。
d、水性粘合剂：
将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。
e、负极引线：
由铜箔或镍带制成。
二、配料目的：
配料过程实际上是将浆料中的各种组成按标准比例混合在一起，调制成浆料，以利于均匀涂布，保证极片的一致性。
配料大致包括五个过程，即：
原料的预处理、掺和、浸湿、分散和絮凝。
三、配料原理：
（一）、正极配料原理
1、原料的理化性能。
（1）钴酸锂：
非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为6-8μm，含水量≤0.2%，通常为碱性，PH值为10-11左右。
锰酸锂：
非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为5-7μm，含水量≤0.2%，通常为弱碱性，PH值为8左右。
（2）导电剂：
非极性物质，葡萄链状物，含水量3-6%，吸油值~300，粒径一般为2-5μm；
主要有普通碳黑、超导碳黑、石墨乳等，在大批量应用时一般选择超导碳黑和石墨乳复配；
通常为中性。
（3）PVDF粘合剂：
非极性物质，链状物，分子量从300，000到3，000，000不等；
吸水后分子量下降，粘性变差。
（4）NMP：
弱极性液体，用来溶解/溶胀PVDF，同时用来稀释浆料。
2、原料的预处理
脱水。
一般用120oC常压烘烤2小时左右。
一般用200oC常压烘烤2小时左右。
（3）粘合剂：
一般用120-140oC常压烘烤2小时左右，烘烤温度视分子量的大小决定。
使用干燥分子筛脱水或采用特殊取料设施，直接使用。
3、原料的掺和：
（1）粘合剂的溶解（按标准浓度）及热处理。
（2）钴酸锂和导电剂球磨：
使粉料初步混合，钴酸锂和导电剂粘合在一起，提高团聚作用和的导电性。
配成浆料后不会单独分布于粘合剂中，球磨时间一般为2小时左右；
为避免混入杂质，通常使用玛瑙球作为球磨介子。
4、干粉的分散、浸湿：
（1）原理：
固体粉末放置在空气中，随着时间的推移，将会吸附部分空气在固体的表面上，液体粘合剂加入后，液体与气体开始争夺固体表面；
如果固体与气体吸附力比与液体的吸附力强，液体不能浸湿固体；
如果固体与液体吸附力比与气体的吸附力强，液体可以浸湿固体，将气体挤出。
当润湿角≤90度，固体浸湿。
当润湿角＞90度，固体不浸湿。
正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料分散相对容易。
（2）分散方法对分散的影响：
A、静置法（时间长，效果差，但不损伤材料的原有结构）；
B、搅拌法；
自转或自转加公转（时间短，效果佳，但有可能损伤个别
材料的自身结构）。
1、搅拌桨对分散速度的影响。
搅拌桨大致包括蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。
一般蛇形、蝶形、桨型搅拌桨用来对付分散难度大的材料或配料的初始阶段；
球形、齿轮形用于分散难度较低的状态，效果佳。
2、搅拌速度对分散速度的影响。
一般说来搅拌速度越高，分散速度越快，但对材料自身结构和对设备的损伤就越大。
3、浓度对分散速度的影响。
通常情况下浆料浓度越小，分散速度越快，但太稀将导致材料的浪费和浆料沉淀的加重。
4、浓度对粘结强度的影响。
浓度越大，柔制强度越大，粘接强度
越大；
浓度越低，粘接强度越小。
5、真空度对分散速度的影响。
高真空度有利于材料缝隙和表面的气体排出，降低液体吸附难度；
材料在完全失重或重力减小的情况下分散均匀的难度将大大降低。
6、温度对分散速度的影响。
适宜的温度下，浆料流动性好、易分散。
太热浆料容易结皮，太冷浆料的流动性将大打折扣。
5、稀释。
将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。
（二）、负极配料原理（大致与正极配料原理相同）
（1）石墨：
非极性物质，易被非极性物质污染，易在非极性物质中分散；
不易吸水，也不易在水中分散。
被污染的石墨，在水中分散后，容易重新团聚。
一般粒径D50为20μm左右。
颗粒形状多样且多不规则，主要有球形、片状、纤维状等。
（2）水性粘合剂（SBR）：
小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。
（3）防沉淀剂（CMC）：
高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。
（4）异丙醇：
弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液的相容性；
具有强烈的消泡作用；
易催化粘合剂网状交链，提高粘结强度。
乙醇：
易催化粘合剂线性交链，提高粘结强度（异丙醇和乙醇的作用从本质上讲是一样的，大批量生产时可考虑成本因素然后选择添加哪种）。
（5）去离子水（或蒸馏水）：
稀释剂，酌量添加，改变浆料的流动性。
2、原料的预处理：
A、混合，使原料均匀化，提高一致性。
B、300~400℃常压烘烤，除去表面油性物质，提高与水性粘合剂的相容能力，修圆石墨表面棱角（有些材料为保持表面特性，不允许烘烤，否则效能降低）。
（2）水性粘合剂：
适当稀释，提高分散能力。
3、掺和、浸湿和分散：
（1）石墨与粘合剂溶液极性不同，不易分散。
（2）可先用醇水溶液将石墨初步润湿，再与粘合剂溶液混合。
（3）应适当降低搅拌浓度，提高分散性。
（4）分散过程为减少极性物与非极性物距离，提高势能或表面能，所以为吸热反应，搅拌时总体温度有所下降。
如条件允许应该适当升高搅拌温度，使吸热变得容易，同时提高流动性，降低分散难度。
（5）搅拌过程如加入真空脱气过程，排除气体，促进固-液吸附，效果更佳。
（6）分散原理、分散方法同正极配料中的相关内容，在三、
（一）、4中有详细论述，在此不予详细解释。
4、稀释。
四、配料注意事项：
1、防止混入其它杂质；
2、防止浆料飞溅；
3、浆料的浓度（固含量）应从高往低逐渐调整，以免增加麻烦；
4、在搅拌的间歇过程中要注意刮边和刮底，确保分散均匀；
5、浆料不宜长时间搁置，以免沉淀或均匀性降低；
6、需烘烤的物料必须密封冷却之后方可以加入，以免组分材料性质变化；
7、搅拌时间的长短以设备性能、材料加入量为主；
搅拌桨的使用以浆料分散难度进行更换，无法更换的可将转速由慢到快进行调整，以免损伤设备；
8、出料前对浆料进行过筛，除去大颗粒以防涂布时造成断带；
9、对配料人员要加强培训，确保其掌握专业知识，以免酿成大祸；
10、配料的关键在于分散均匀，掌握该中心，其它方式可自行调整。
五、总论：
随着电池制程的日益透明，锂离子电池生产厂家越来越将配料列为核心机密，因为从材料的挑选、处理到合理搭配包含了太多技术人员的心血，同样的材料，有的厂家用起来特别顺利，有的厂家就麻烦百出；
有的厂家用中档的材料可以做出高端的电池，而有的厂家却使用最好的材料做成的电池惨不忍睹；
本人在此发表配料的基础知识，旨在让大家对配料的了解多一些，少走一些弯路；
但因本人水平有限，难免有疏漏之处，希望大家多多批评指正。
我也期望大家在工作中认真研究，真诚交流，大胆创新，团结起来，共同促进中国锂离子电池生产水平的提高。
锂离子电池制片过程掉粉的分析与讨论。
极片掉粉目前钴酸锂的生产工艺，基本上不会掉粉，掉粉的可能性在生产过程中影响的因素有：
1、配方比例不当，如粘接剂太少，容剂少致使搅拌不均匀。
2、粘接剂烘烤温度过高，使粘接剂结构受到破坏，。
3、浆料搅拌时间不够，没有完全搅拌开，
4、涂布时温度太低，极片未烘干。
5、涂布量不均匀，厚度差异太大。
6、极片在辊压前未烘烤，在空气中大量吸收水份。
7、辊压时压力过大，使极粉与集流体剥离。
8、辊压时极片的放送方式不对，造成极片受力不均。
9、用油性正极，水性负极，不掉粉的？
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
负极片与极耳虚焊；
正极片与极耳虚焊；
正极耳与盖帽虚焊；
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；
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
副反应（电解液分解；
正极有杂质；
有水）；
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；
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:
焊缝漏气;
电解液分解;
未烘干水分;
盖帽密封性差;
壳壁太厚;
壳太厚;
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
未化成好（SEI膜不完整、致密）；
烘烤温度过高→粘合剂老化→脱料；
负极比容量低；
正极附料多而负极附料少；
盖帽漏气，焊缝漏气；
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;
内部短路
7.短路
料尘；
装壳时装破；
尺刮（小隔膜纸太小或未垫好）;
卷绕不齐；
没包好；
隔膜有洞;
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）
四锂离子电池的安全特性
锂离子电池已非常广泛的应用于人们的日常生活中，所以它的安全性能绝对应该是锂离子电池的第一项考核指标。
对于锂离子电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足一下条件。
1）短路：
不起火，不爆炸；
2）过充电：
3）热箱试验：
不起火，不爆炸（150℃恒温10min）
4）针刺：
不爆炸（用Φ3mm钉穿透电池）；
5）平板冲击：
（10kg重物自1米高处砸向电池）；
6）焚烧：
不爆炸（煤气火焰烧考电池）
为了确保锂离子电池安全可靠的使用，专家们进行了非常严格、周密的电池安全设计，以达到电池安全考核指标。
1、隔膜135℃自动关断保护：
采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。
在电池升温达到120℃的情况下，复合膜两侧的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。
3、电池盖复合结构：
电池盖采用刻痕防爆结构，当电池升温，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。
4、各种环境滥用试验：
进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。
同时对电池进行温度冲击试验和振动、跌落、冲击等力学性能试验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。
锂离子电池保护线路（PCM）
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
极片浆料涂布工艺路线的选择
1.1 涂布方法的选择
成功解决极片浆料涂布的关键之一是选择合适的涂布方法。
大约有20多种涂布方法可以用于将液体料液涂布于支持体上，而每一种技术有许多专门的配置，所以有许多种涂布型式可供选择。
在研制锂离子电池实验室研究阶段，有用刮棒、刮刀或挤压等自制简单的涂布实验装置进行极片涂布试验，只能涂布出少量样品供实验研究，效果并不太理想，并存在各种各样的问题。
一般选择涂布方法需要从下面几个方面考虑，包括：
涂布的层数，湿涂层的厚度，涂布液的流变特性，要求的涂布精度，涂布支持体或基材，涂布的速度等。
如何选择适合极片浆料的涂布方法?
除上述因素外，还必须结合极片涂布的具体情况和特点。
锂离子电池极片涂布特点是：
①双面单层涂布；
②浆料湿涂层较厚（100～300μm）；
③浆料为非牛顿型高粘度流体；
④相对于一般涂布产品而言，极片涂布精度要求高，和胶片涂布精度相近；
⑤涂布支持体为厚度为10～20μm的铝箔和铜箔；
⑥和胶片涂布速度相比，极片涂布速度不高。
我们首先从涂布层数来考虑选择涂布的技术路线。
极片需要在金属箔两面都涂浆料。
目前有同时在支持体两面进行涂布的技术，但如果选用同时双面涂布方法，就
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