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      軟包鋰電池和大工藝流程全解

      作者:????來源:????發布時間:2019-08-23 14:50????瀏覽量:

      軟包電芯,其實就是使用了鋁塑包裝膜作為包裝材料的電芯。相對來說,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

       

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      鋁塑包裝膜(簡稱鋁塑膜)的構成見圖,其截面上來看有三層構成: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之前,膜不會發生變形。

       

      Al層就是一層金屬Al構成,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,所以包裝膜一定能夠擋住水氣的滲入。尼龍不防水,無法起到保護作用。而金屬Al在室溫下會與空氣中的氧反應生成一層致密的氧化膜,導致水氣無法滲入,保護了電芯的內部。Al層在鋁塑膜成型的時候還提供了沖坑的塑性,這個詳見第3點。

       

      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發生熔化,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,降溫就固化黏結了。

       

      鋁塑膜看上去很簡單,實際做起來,如何把三層材料均勻地、牢固地結合在一起也不是那么容易的事。很遺憾的是,現在質量好的鋁塑膜基本上都是日本進口的,國產的不是沒有,但質量還有待改進。

       

      鋁塑膜成型工序

       

      軟包電芯可以根據客戶的需求設計成不同的尺寸,當外形尺寸設計好后,就需要開具相應的模具,使鋁塑膜成型。成型工序也叫作沖坑(其實個人覺得應該是“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能夠裝卷芯的坑,具體的見下圖。

       

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      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候選擇沖單坑(下圖左),在電芯較厚的時候選擇沖雙坑(下圖右),因為一邊的變形量太大會突破鋁塑膜的變形極限而導致破裂。

       

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      有時候根據設計的需要,會在氣袋的位置再沖一個小坑,以擴大氣袋的體積。

       

      頂側封工序

       

      終于講到正題了(你是跑題有多厲害?。?,頂側封工序是軟包鋰離子電芯的第一道封裝工序。頂側封實際包含了兩個工序,頂封與側封。首先要把卷繞好的卷芯放到沖好的坑里,然后沿虛線位置將包裝膜對折,如下圖所示。

       

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      下面這種圖是鋁塑膜裝入卷芯后,需要封裝的幾個位置,包括頂封區、側封區、一封區與二封區。下面分別進行介紹。

       

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      把卷芯放到坑中之后,就把整個鋁塑膜可以放到夾具中,在頂側封機里進行頂封與側封了。頂側封機是這樣子的:

       

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      圖中這種型號的頂側封機帶四個夾具,左邊那個工位是頂封,右邊那個工位是側封。那兩塊黃色的金屬是上封頭,下面還有一個下封頭,封裝的時候兩個封頭帶有一定的溫度(一般在180℃左右),合攏時壓在鋁塑膜上,鋁塑膜的PP層就熔化然后黏結在一起了,這樣就封裝OK了。

       

      側封沒有什么太多好說的(邊電壓神馬的扯得太遠就不講了),主要來說說頂封,頂封區域的示意圖如下圖所示。頂封是要封住極耳的,極耳是金屬(正極鋁,負極鎳),怎么跟PP封裝到一起呢?這就要靠極耳上的一個小部件—極耳膠來完成了。極耳膠具體的結構我不是很清楚,希望有懂行的人來補充。我只知道它也有PP的成本,也就是說在加熱時能夠熔化黏結。在極耳位的封裝見下圖中圓圈部分所示。封裝時,極耳膠中的PP與鋁塑膜的PP層熔化黏結,形成了有效的封裝結構。

       

      7.jpg

       

      注液、預封工序

       

      軟包電芯在頂側封之后,需要做X-ray檢查其卷芯的平行度,然后就進干燥房除水氣去了。在干燥房靜置若干時間時候,就進入了注液與預封工序。

       

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      通過上面的介紹我們知道,電芯在頂側封完成之后,就只剩下氣袋那邊的一個開口,這個開口就是用來注液的。在注液完成之后,需要馬上進行氣袋邊的預封,也叫作一封。一封封裝完成后,電芯從理論上來說,內部就是完全與外部環境隔絕了。一封的封裝原理與頂側封相同,這里就不贅述了。

       

      靜置、化成、夾具整形工序

       

      在注液與一封完成后,首先需要將電芯進行靜置,根據工藝的不同會分為高溫靜置與常溫靜置,靜置的目的是讓注入的電解液充分浸潤極片。然后電芯就可以拿去做化成了。

       

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      上圖是軟包電芯的化成柜,其實就是一個充放電的裝置,我找了好久沒有找到帶電芯的圖片,大家想想一下電芯夾在上面的畫面就OK了?;删褪菍﹄娦镜氖状纬潆?,但不會充到使用的最高電壓,充電的電流也非常小。

       

      化成的目的是讓電極表面形成穩定的SEI膜,也就是相當于一個把電芯“激活”的過程。在這個過程中,會產生一定量的氣體,這也就是為什么鋁塑膜要預留一個氣袋。有些工廠的工藝會使用夾具化成,即把電芯夾在夾具里(有時候圖簡便就用玻璃板,然后上鋼夾子)再上柜化成,這樣產生的氣體會被充分地擠到旁邊的氣袋中去,同時化成后的電極界面也更佳。

       

      在化成后有些電芯,尤其是厚電芯,由于內部應力較大,可能會產生一定的變形。所以某些工廠會在化成后設置一個夾具整形的工序,也叫作夾具baking(烘烤)。

       

      二封工序

       

      剛才說了化成過程中會產生氣體,所以我們要將氣體抽出然后再進行第二次封裝。在這里有些公司成為兩個工序:Degassing(排氣)與二封,還有后面一個剪氣袋的工序,這里我就一起籠統的都稱為二封了。

       

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      二封時,首先由鍘刀將氣袋刺破,同時抽真空,這樣氣袋中的氣體與一小部分電解液就會被抽出。然后馬上二封封頭在二封區進行封裝,保證電芯的氣密性。最后把封裝完的電芯剪去氣袋,一個軟包電芯就基本成型了。二封是鋰離子電池的最后一個封裝工序,其原理還是跟前面的熱封裝一樣,不再贅述。

       

      后續工序

       

      因為題主問的是封裝,后面的跟封裝關系不大,所以二封之后的工序我就一起說了。

       

      二封剪完氣袋之后需要進行裁邊與折邊,就是將一封邊與二封邊裁到合適的寬度,然后折疊起來,保證電芯的寬度不超標。折邊后的電芯就可以上分容柜進行分容了,其實就是容量測試,看電芯的容量有沒有達到規定的最小值。從原則上來說,所有的電芯出廠之前都需要做分容測試,保證容量不合格的電芯不會送到客戶手中。但在電芯生產量大的時候,某些公司會做部分分容,以統計概率來判斷該批次電芯容量的合格率。

       

      分容后,容量合格的電芯就會進入后工序,包括檢查外觀、貼黃膠、邊電壓檢測、極耳轉接焊等等,可以根據客戶的需求來增減若干工序。最后就是OQC檢查,然后包裝出貨了。

       

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