在鋰離子電池生產過程中, 極片生產完成後, 採用卷繞或者疊片方式將正, 負極極片和隔膜組裝製造形成基本的電芯. 隨後, 一般會對電芯進行熱壓整形. 本文主要簡單介紹熱壓整形工藝的目的與工藝控制要點.
一, 工藝目的
無論在卷繞中或者Z型疊片中, 必須對隔膜施加一定的張力, 以確保正極片, 隔膜, 負極片之間的整齊程度, 然而工藝過程中的張力會使隔膜在走帶方向被拉長, 隔膜在走帶方向的收縮量很大, 會使得隔膜嚴重擠壓極片, 從而導致電芯組裝工藝後, 特別是繞卷工藝, 電芯發生變形, 變形後的電芯不僅外觀平整度差, 內部還會存在隔膜褶皺等缺陷, 如圖1和圖2所示, 這會導致容量低, 迴圈性能差及自放電快等質量問題, 尤其是卷繞較厚的電芯, 卷繞後的變形問題尤為突出. 另外, 鬆散狀態的電芯厚度一致性也差, 會影響電芯入殼工藝, 增加入殼工藝的難度, 甚至導致入殼時電芯損傷.
因此, 電芯熱壓整形的主要目的包括:
(1) 改善鋰離子電池的平整度, 使電芯厚度滿足要求並具有高的一致性;
(2) 消除隔膜褶皺, 趕出電芯內部空氣, 使隔膜和正負極極片緊密貼個在一起, 縮短鋰離子擴散距離, 降低電池內阻.
二, 工藝過程
為了使鋰離子電池電芯能夠在經過整形後平直且避免回縮複原. 電芯熱壓整形工藝過程如下: 將卷繞或疊片好的電芯放在模板上, 設定增壓缸壓力和模板溫度, 然後上下模板在一定壓力和溫度作用下使電芯定型, 達到電芯厚度一致, 使電芯彈性減小, 降低裝芯合格率並保
證成品電芯厚度的一致性.
圖3方形電芯熱壓整形裝置
對於方形電池, 熱壓整形裝置如圖3所示, 上下模板就是平板, 在壓力作用下平板合模平整電芯. 而對於圓柱電池, 熱壓整形裝置如圖4所示, 固定在底座上產生相向運動的兩汽缸, 在兩汽缸活塞杆尾端帶有柱形槽的兩個半圓模, 兩半圓模柱形槽的半徑相等且等於或小於預設卷芯半徑. 利用機械手或夾具夾持卷芯放置在兩個半圓模的中心位置處, 控制兩個汽缸帶動兩半圓模合模相向運動, 使得兩個半圓模對卷芯進行擠壓, 從而將卷繞整形到預設的尺寸, 使之能夠放入與之相匹配的外殼內.
圖4圓柱形電池電芯熱壓整形裝置示意圖
一般, 在電芯熱壓整形時, 同時對電芯進行絕緣耐電壓測試, 檢測電芯內部是否存在微短路. 如果電芯內部存在微小金屬異物顆粒, 在電芯被壓下狀態, 電芯隔膜刺穿, 很容易檢測出微短路不合格品. 關於電芯絕緣耐電壓測試, 之前整理過一篇文章: 鋰電池電芯絕緣耐電壓測試基礎知識 (點擊閱讀) .
三, 工藝要點
電芯熱壓整形的主要工藝參數有加壓壓力, 加壓時間和模板溫度. 在合適的工藝參數下, 厚電芯內部幾乎不存在空氣, 隔膜和極片緊密粘合在一起, 鬆散電芯能夠變成硬塊狀態. 但是, 對於近年來使用的陶瓷隔膜, 由於陶瓷層存在, 隔膜很難與極片粘合在一起形成這種狀態. 在工藝確定試驗中, 檢測項目包括隔膜的透氣性, 厚度變化; 電芯厚度是否滿足入殼要求; 極片是否發生斷裂等.
電池隔膜作為電池的核心部件, 發揮了隔離正負極電子傳導, 同時允許鋰離子在兩極之間的往複通過的關鍵作用, 隔膜上的微孔結構正是這些離子往返於正負極的重要通道, 它的透氣性能會直接影響到電池的性能, 隔膜透氣性是指隔膜在一定的時間壓力下透過的氣體量. 如果隔膜的透氣性不好, 將影響鋰離子在正負極之間的傳遞, 繼而影響鋰電池的充放電. 測試工藝過程為: 固定電池隔膜, 在隔膜一側施加氣壓, 計量氣壓壓降和所用時間, 檢測隔膜的透氣度, 所用時間越短, 透氣性越好. 在熱壓過程中, 隔膜可能被嚴重壓縮, 隔膜厚度變化大, 導致微孔被堵塞, 肉眼觀察隔膜會變成透明色, 這種情況說明熱壓整形對電芯作用超限, 會影響鋰離子傳輸. 卷繞電芯如圖2所示, 如果極片比較脆, 電芯折彎處在熱壓整形中容易發生掉粉甚至斷裂, 這會導致電子傳輸受限, 增加電池內阻. 因此, 電芯熱壓整形也必須避免這種情況發生. 這兩個方面要求熱壓整形壓力越小越好, 時間越短越好. 而另外一方面, 熱壓整形又必須使電芯定型, 電芯厚度滿足工藝要求, 電芯彈性減小, 並保證成品電芯厚度的一致性. 因此, 壓力, 時間和溫度等工藝參數需要優化.
