铝塑膜的是由外层尼龙层, 粘合剂, 中间层铝箔 (Al) , 粘合剂, 内层热封层 (CPP) 构成的多层膜, 是软包锂电池的封装材料. 电池用铝塑膜被要求具备如下特点:
(1) 具备极高的阻隔性;
(2) 具有良好的热封性能;
(3) 材料耐电解液及强酸腐蚀;
(4) 具有良好的延展性, 柔韧性和机械强度.
铝塑膜主要成分是ON/AL/CPP三层物质, 每层之间以粘结剂粘合. 根据复合工艺的不同, 可以将铝塑膜分为干法和热法两种, 如图1所示. 干法工艺是铝和聚丙烯用粘合剂粘结后直接压合而成, 热法工艺是铝和聚丙烯之间用MPP粘结着, 在缓慢升温升压热压合而成. 干法工艺铝塑膜主要优势有冲深成型效果好, 外观一致性好, 不易出现针孔, 鱼眼, 杂质等不良, 但其耐电解液性较差. 热法工艺可以提高Al层与PP层之间的粘附力, 使内表层防电解液溶胀脱落能力大大提升, 但是这种特殊处理的MPP需要较高的温度将其熔化才能起到粘结作用, 冷却后, 因与PP的收缩系数存在较大差异, 很容易出现向内卷曲的情况.
图1两种铝塑膜示意图
1各部分作用
Nylon: 可以有效阻止空气尤其是氧的渗透, 维持电芯内部的环境, 同时可以保证包装铝箔具备良好的形变能力.
Al: 可以有效阻止空气中水分的渗透, 维持电芯内部的环境, 具有一定的厚度强度能够防止外部对电芯的损伤.
PP: 不会被电芯内有机溶剂溶解, 溶胀等, 是电芯内部环境的最直接的包装保护, 绝缘, 有效阻止内部电解质等与Allayer接触, 避免Allayer被腐蚀.
2评价方法
为了全面了解锂电池铝塑膜的各项性能, 建立铝塑膜的性能评价标准, 筛选出性价比良好的铝塑膜产品, 对铝塑膜的性能评价方法进行简单总结.
(1) 铝塑膜材料的外观
目测铝塑膜表面是否有坑点, 划痕等, 各复合层间是否有杂物, 气泡等. 使用千分尺取不少于10个点测量铝塑膜的厚度和宽度, 并判断其均匀性.
(2) 热封强度
在一定的温度, 时间, 压力的封装条件下, 将两片铝塑膜或与极耳粘合, 取一定宽度封口裁切成条, 使用拉力测试设备测试剥离强度. 观察剥离后的铝塑膜内表层是否呈均匀乳白色, 要求Al层与内表层不分层. 软包装材料的热封工艺参数主要有热封时间, 热封压力和热封温度, 一般情况下, 需要重优化调整这3个参数, 使热封效果达到最佳.
(3) 冲深能力
铝塑膜用良好的成型模具冲深, 在一定取值范围内调整成型深度, 直至铝塑膜边角出现破裂, 记录出现破裂前的深度最大值. 铝塑膜的冲深后必须满足以下条件: 冲坑的四个边角最薄处不小于原来50%的厚度, 内层PP层厚度为60~65微米. 否则会造成电池成型后有漏点, 严重影响电池性能.
(4) 耐电解液腐蚀性能
铝塑膜中与电解液接触的是内层的PP层以及周边的热封口, 这些地方必须具备良好的耐电解液腐蚀性能. 将成型后的铝塑膜先封焊两边, 不加极耳和电芯, 注入一定量的电解液, 在一定温度条件下烘烤一定的时间后进行观察. 观察封焊成型后铝塑膜是否有腐蚀, 漏液, 膨胀, 分层现象.
(5) 阻隔性能
将封装袋置于水浴或高温高湿环境中, 一段时间后取出, 观察铝塑膜是否异常, 且通过称重或水分测试判断其吸水量, 表征铝塑膜的阻隔性能.
3冲压成型工艺
铝塑膜冲坑成型过程示意图2如示, 下, 上模版与下模版 (凹模) 将铝塑膜夹紧, 保持一定的压力P, 凸模以平缓的速度向下运行, 使铝塑膜达到要求的深度.
图2铝塑膜冲压成型示意图
如图3, 目前企业实际生产采用的冲压工艺有以下两种: (1)延伸性冲深: 压边圈对铝塑膜压力较大, 铝塑膜边缘部分被固定, 被固定的部分不产生形变, 难以对冲深部分进行补偿, 成形时边缘部分完全由底部补偿, 冲深浅, 可调性差, 目前采用较少; (2)补偿性冲深: 压边圈对铝塑膜压力可调, 铝塑膜冲深部位可由边缘及底部材料补偿, 铝塑膜整体运动变形, 厚度比较均匀, 冲深能力强.
图3铝塑膜冲压成型工艺对比
成形铝塑膜外壳如图4所示, 其边角位置减薄最为严重, 是影响成形铝塑膜外壳整体质量的关键性因素, 应该作为衡量锂离子电池铝塑膜外壳成形质量检验的关键点. 影响铝塑膜冲压成形质量的工艺参数主要有模具(凸模和凹模)设计, 压边力和冲压速度等.
图4冲压成型铝塑膜
模具设计包括模具长宽尺寸, 凸模和凹模的R角, 模具的表面粗糙度, 上冲头和下模之间的冲切间隙等. 凸模圆角半径与凹模摩擦系数的选择对铝塑膜冲压工艺质量影响较大, 模具表面粗糙度过大时, 粗糙度大造成摩擦力大, 流动阻力也相应变大, 从而阻碍材料流动, 不利于包装袋成形工艺时的流动补充, 从而造成铝塑膜冲压成形铝层的过度变薄. 冲坑尺寸, 深度, 四角R角, 边线R角是根据电芯尺寸, 铝塑膜特性与冲坑模具相关的. 冲深与R角存在优化的关系, R角设计还应该与电芯尺寸配合, 避免铝塑膜封装造成对电芯边角的损伤.
