在锂离子电池生产过程中, 极片生产完成后, 采用卷绕或者叠片方式将正, 负极极片和隔膜组装制造形成基本的电芯. 随后, 一般会对电芯进行热压整形. 本文主要简单介绍热压整形工艺的目的与工艺控制要点.
一, 工艺目的
无论在卷绕中或者Z型叠片中, 必须对隔膜施加一定的张力, 以确保正极片, 隔膜, 负极片之间的整齐程度, 然而工艺过程中的张力会使隔膜在走带方向被拉长, 隔膜在走带方向的收缩量很大, 会使得隔膜严重挤压极片, 从而导致电芯组装工艺后, 特别是绕卷工艺, 电芯发生变形, 变形后的电芯不仅外观平整度差, 内部还会存在隔膜褶皱等缺陷, 如图1和图2所示, 这会导致容量低, 循环性能差及自放电快等质量问题, 尤其是卷绕较厚的电芯, 卷绕后的变形问题尤为突出. 另外, 松散状态的电芯厚度一致性也差, 会影响电芯入壳工艺, 增加入壳工艺的难度, 甚至导致入壳时电芯损伤.
因此, 电芯热压整形的主要目的包括:
(1) 改善锂离子电池的平整度, 使电芯厚度满足要求并具有高的一致性;
(2) 消除隔膜褶皱, 赶出电芯内部空气, 使隔膜和正负极极片紧密贴个在一起, 缩短锂离子扩散距离, 降低电池内阻.
二, 工艺过程
为了使锂离子电池电芯能够在经过整形后平直且避免回缩复原. 电芯热压整形工艺过程如下: 将卷绕或叠片好的电芯放在模板上, 设定增压缸压力和模板温度, 然后上下模板在一定压力和温度作用下使电芯定型, 达到电芯厚度一致, 使电芯弹性减小, 降低装芯合格率并保
证成品电芯厚度的一致性.
图3方形电芯热压整形装置
对于方形电池, 热压整形装置如图3所示, 上下模板就是平板, 在压力作用下平板合模平整电芯. 而对于圆柱电池, 热压整形装置如图4所示, 固定在底座上产生相向运动的两汽缸, 在两汽缸活塞杆尾端带有柱形槽的两个半圆模, 两半圆模柱形槽的半径相等且等于或小于预设卷芯半径. 利用机械手或夹具夹持卷芯放置在两个半圆模的中心位置处, 控制两个汽缸带动两半圆模合模相向运动, 使得两个半圆模对卷芯进行挤压, 从而将卷绕整形到预设的尺寸, 使之能够放入与之相匹配的外壳内.
图4圆柱形电池电芯热压整形装置示意图
一般, 在电芯热压整形时, 同时对电芯进行绝缘耐电压测试, 检测电芯内部是否存在微短路. 如果电芯内部存在微小金属异物颗粒, 在电芯被压下状态, 电芯隔膜刺穿, 很容易检测出微短路不合格品. 关于电芯绝缘耐电压测试, 之前整理过一篇文章: 锂电池电芯绝缘耐电压测试基础知识 (点击阅读) .
三, 工艺要点
电芯热压整形的主要工艺参数有加压压力, 加压时间和模板温度. 在合适的工艺参数下, 厚电芯内部几乎不存在空气, 隔膜和极片紧密粘合在一起, 松散电芯能够变成硬块状态. 但是, 对于近年来使用的陶瓷隔膜, 由于陶瓷层存在, 隔膜很难与极片粘合在一起形成这种状态. 在工艺确定试验中, 检测项目包括隔膜的透气性, 厚度变化; 电芯厚度是否满足入壳要求; 极片是否发生断裂等.
电池隔膜作为电池的核心部件, 发挥了隔离正负极电子传导, 同时允许锂离子在两极之间的往复通过的关键作用, 隔膜上的微孔结构正是这些离子往返于正负极的重要通道, 它的透气性能会直接影响到电池的性能, 隔膜透气性是指隔膜在一定的时间压力下透过的气体量. 如果隔膜的透气性不好, 将影响锂离子在正负极之间的传递, 继而影响锂电池的充放电. 测试工艺过程为: 固定电池隔膜, 在隔膜一侧施加气压, 计量气压压降和所用时间, 检测隔膜的透气度, 所用时间越短, 透气性越好. 在热压过程中, 隔膜可能被严重压缩, 隔膜厚度变化大, 导致微孔被堵塞, 肉眼观察隔膜会变成透明色, 这种情况说明热压整形对电芯作用超限, 会影响锂离子传输. 卷绕电芯如图2所示, 如果极片比较脆, 电芯折弯处在热压整形中容易发生掉粉甚至断裂, 这会导致电子传输受限, 增加电池内阻. 因此, 电芯热压整形也必须避免这种情况发生. 这两个方面要求热压整形压力越小越好, 时间越短越好. 而另外一方面, 热压整形又必须使电芯定型, 电芯厚度满足工艺要求, 电芯弹性减小, 并保证成品电芯厚度的一致性. 因此, 压力, 时间和温度等工艺参数需要优化.
