锂 电 芯 培 训 资 料
（三）
品管部选编
一、锂电芯原理
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。 二、锂电芯的构造
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。
三、锂电芯的安全性
电芯的安全性与电芯的设计、材料及生产工艺生产过程的控制等因素密切相关。在电芯的充放电过程中，正负极材料的电极电位均处于动态变化中，随着充电电压的增高，正极材料（LixCoO2）电位不断上升，嵌锂的负极材料（LixC6）电位首先下降，然后出现一个较长的电位平台，当充电电压过高（ >4.2V）或由于负极活性材料面密度相对于正极材料面密度(C/A)比值不足时,负极材料过度嵌锂，负极电位则迅速下降，使金属锂析出(正常情况下则不会有金属锂的的析出)，这样会对电芯的性能及安全性构成极大的威胁。
在材料已定的情况下，C/A太大，则会出现上述结果。相反，C/A太小，容量低，平台低，循环特性差。这样，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。
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。
1)可以保证正负极片质量的稳定和一致性，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，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)必须有高纯度的氮气保护，否则铝壳表面就会产生难以熔化的Al2O3（其熔点为2400℃）。
四、锂电芯膨胀原因及控制
锂离子电芯在制造和使用过程中往往会有膨胀现象，经过分析与研究，发现主要有以下两方面原因：
1、锂离子嵌入带来的厚度变化： 电芯充电时锂离子从正极脱出嵌入负极，引起负极层间距增大，而出现膨胀，一般而言，电芯越厚，其膨胀量越大。
2、工艺控制不力引起的膨胀在制造过程中，如浆料分散、C/A比离散性、温度控制都会直接影响电芯电芯的膨胀程度。特别是水，因为充电形成的高活性锂碳化合物对水非常敏感，从而发生激烈的化学反应。反应产生的气体造成电芯内压升高，增加了电芯的膨胀行为。所以在生产中，除了应对极板严格除湿外，在注液过程中更应采用除湿设备，保证空气的干燥度为HR2%，露点（大气中的湿空气由于温度下降,使所含的水蒸气达到饱和状态而开始凝结时的温度）小于-40℃。在非常干燥的条件下，并采取真空注液，极大地降低了极板和电解液的吸水机率。
五、铝壳锂电芯与钢壳锂电芯安全性比较
1、铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势：
钢壳对内压反映十分迟钝，而铝壳对内压反应却十分敏锐。因此从厚度上就基本能判断出电芯的内压，而钢壳电芯往往隐含着内压带来的不安全隐患。
2、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。
a)、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。
b)、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动作。 过放电保护及过充电保护IC主要生产厂家有:美上美(MITSUMI),精工,台湾富晶(DW01,FS301,302),理光,MOTOROLA等封装形式主要为SOT26,SOT6 {Q_
c)、短路保护：因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保
安全，必须使其立即停止放电。 过电流保护 IC 原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护 IC 将启动过（短路）电流保护，此时过电流的检测是将功率 MOSFET 的 Rds(on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为: V- = I × Rds(on) × 2（V- 为过电流检测电压，I 为放电电流）。假设 V- = 0.2V，Rds(on) = 25mΩ，则保护电流的大小为 I = 4A。 同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。通常在过电流产生后，若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离)，将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。
六、 各工序控制重点
配料—涂布—制片—烘烤—组装—激光焊—烘烤
—注液—陈化—化成—封口—清洗—老化—分容—检测—包装
(一)、配料：
1.溶液配制：
a) PVDF(或CMC)与溶剂NMP（或去离子水）的混合比例和称量；
b) 溶液的搅拌时间、搅拌频率和次数（及溶液表面温度）；
c) 溶液配制完成后的检验:粘度(测试)\溶解程度(目测)及搁置时间;
d) 负极:SBR+CMC溶液,搅拌时间和频率。
2.活性物质:
a) 称量和混合时监控混合比例、数量是否正确；
b) 烘烤：烘烤温度、时间的设置；烘烤完成后冷却后测试温度。
c) 活性物质与溶液的混合搅拌：搅拌方式、搅拌时间和频率。
d) 过筛：过100目（或150目）分子筛。
e) 测试：固含量、粘度、混料细度、振实密度、浆料密度。
（二）、涂布：
1.集流体（铜、铝箔）的首检:
a) 集流体规格(长宽厚)的确认;
b) 集流体标准(实际)重量的确认;
c) 集流体的亲(疏)水性及外观(有无碰伤、划痕和破损)。
2.敷料量（标准值、上、下限值）的计算：
a) 单面敷料量（以接近此标准的极片厚度确定单面厚度）；
b) 双面敷料量（以最接近此标准的极片厚度确定双面的极片厚度。）
3.浆料的确认:是否过稠(稀)\流动性好,是否有颗粒,气泡过多,是否已干结.
4.极片效果:
a) 比重(片厚)的确认;
b) 外观:有无划线、断带、结料（滚轮或极片背面）是否积料过厚，是否有未干透或烤焦，有无露铜或异物颗粒；
5.裁片：规格确认有无毛刺，外观检验。
（三）、制片：
1.压片：
a) 确认型号和该型号正、负极片的标准厚度；
b) 极片压片后的厚度、外观有无变形、起泡、掉料、有无粘机、压叠。
c) 极片的强度检验；
2.分小片：
a) 刀口规格、大片极片的规格（长宽）、外观确认；
b) 分出的小片宽度；
c) 分出的小片有无毛刺、起皱、或裁斜、掉料（正）。
3.分档称片：
a) 称量有无错分；
b) 外观检验：极片尺寸、掉料、折痕、破损、浮料、未刮净等。
4.超焊、铆接：
a)铝带、镍带的长度、宽度、厚度的确认；
b)铝带、镍带的点焊牢固性；
c)胶纸必须按工艺要求的公差长度粘贴；
d)极片表面不能有粉尘。
5.烘烤:
a) 烤箱温度、时间的设置；
b) 放N2、抽真空的时间性效果（目测仪表）及时间间隔。
（四）、盖帽加工：
1.裁连接片：测量尺寸规格、检查有无毛刺、压伤；
2.清洗连接片：检查连接片是否清洗干净；
3.点盖帽：检查有无漏点、虚点、点穿；
4.全检：对前工序员工自检检查的效果进行复核，防止不良品流入下一工序；
(五)、卷绕：
1. 烘烤：烘烤温度、时间、烘烤效果。
各型号的识别、隔膜纸、卷尺的规格、钢（铝）壳的卷绕注意事项；
2.结存极片的标识状态；
3.点负极的牢固度（钢、铝壳）；铝壳正极的牢固性、负极的外观；
4.绝缘垫片的放置；
5.折、压合盖帽（铝壳）注意杂物外露和铝壳外观的维护；
6.定盖工位：偏移度。
(六)、激光焊
1.钢、铝壳电池焊接时注意砂孔；
2.焊接铝壳的调试、焊接时抽查的测试；
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