解读 | 锂离子电池工序大全

2022-11-17 09:38:11 来源：锂电前沿

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简介：锂电池生产制造流程，凡在新能源领域的从业人员都能“信手拈来”。但是，简单的流程能表达出锂电池（锂离子电池失效分析与测试技术交流会）制造工艺技术的种种艰辛吗？下面新为大家介绍主要锂电池制程管控的要点。

锂电池生产制造流程，凡在新能源领域的从业人员都能“信手拈来”。但是，简单的流程能表达出锂电池（锂离子电池失效分析与测试技术交流会）制造工艺技术的种种艰辛吗？下面新为大家介绍主要锂电池制程管控的要点。

一部分正极配料（正极由活性物、导电剂、粘结剂组成）

1、首先是对来料确认和烘烤，一般导电剂需≈120℃烘烤8h，粘结剂PVDF需≈80℃烘烤8h，活性物（LFP、NCM等）视来料状态和工艺而定是否需要烘烤干燥。当前车间要求温度:≤40℃，湿度:≤25%RH。

2、干燥完成后，（湿法工艺）需要提前配好PVDF胶液（溶质PVDF，溶液NMP）。PVDF胶液好坏对电池的内阻、电性能影响至关重要。影响打胶的因素有温度、搅拌速度。温度越高胶液配出来泛黄，影响粘结性；搅拌的速度太高容易将胶液打坏，具体的转速需要看分散盘的大小而定，一般情况下分散盘线速度在10-15m/s（对设备依赖性较高）。此时要求搅拌罐需要开启循环水，温度:≤30℃.

3、接下来是配正极浆料。此时需要注意加料的顺序（先加活性物和导电剂慢搅混合、再加入胶液）、加料时间、加料比例，要严格按工艺执行。其次需要严格控制设备公转和自转速度（一般分散线速度要在17m/s以上具体要看设备性能，不同厂家差别很大），搅拌的真空度、温度。在此阶段需要定期检测浆料的粒度和粘度，而粒度和粘度跟固含量、材料性能、加料顺序和制程工艺关系紧密（此次不叙述，欢迎讨论）。此时常规工艺要求温度:≤30℃，湿度:≤25%RH，真空度≤-0.085mpa。

4、浆料配完后就要将浆料转出至中转罐或涂布车间，浆料转出时需要对其过筛，目的就是过滤大颗粒物、沉淀和去除铁磁性等物质。大颗粒影响涂布到最后可能导致电池自放过大或短路的风险；浆料铁磁性物质过高会导致电池自放电过大等不良。此时的工艺要求是温度:≤40℃，湿度:≤25%RH，筛网≤100目，粒度≤15um（参数仅供参考）。

二部分负极配料（负极由活性物、导电剂、粘结胶、分散剂组成）

1、常规负极体系为水系混料过程（溶剂为去离子水），因此来料无需干燥要求。此过程要求去离子水导电率在≤1us/cm。车间要求温度:≤40℃，湿度:≤25%RH。

工艺示意图如下

负极配料流程图

2、来料确认完成后，首先制备胶液（CMC和水组成）。此时石墨C和导电剂倒入搅拌机进行干混，建议不抽真空，开启循环水（干混时颗粒挤压摩擦产热严重）,低速15～20rpm，间隔≈15min刮料循环2-3次。接下来将胶液倒入搅拌机中开启抽真空（≤-0.09mpa），低速15～20rpm刮料循环2次，再调整转速（低速35rpm，高速1200～1500rpm）,运行15min～60min（具体依各厂家的自身的湿法工艺而定）。最后将SBR倒入搅拌机中，建议此时快速低时搅拌（SBR属于长链高分子物，速度过高时间过长分子链易打断失去活性），建议低速35-40rpm，高速1200～1800rpm，10-20min。

3、最后测粘度（2000～4000 mPa.s）、粒度（35um≤）、固含量（40-70%），抽真空过筛（≤100目）。具体的工艺值需要根据材料物性、混料工艺等影响有一定差异。车间要求温度:≤30℃，湿度:≤25%RH。

三部分涂布

1、正极涂布即将正极浆料挤压涂或喷涂在铝集流体AB面上，单面密度≈20～40 mg/cm2（NCM功率型），涂布烤箱温度常规4-8节（或更多），每节烘烤温度95℃～120℃按实际需要调整，避免烘烤开裂出现横向裂纹和滴溶剂现象。转移涂布辊速比1.1-1.2，间隙位打薄20-30um（避免拖尾导致在极耳位压实过大，电池循环过程析锂），涂布水份≤2000-3000ppm（具体要根据材料和工艺定）。车间正极温度≤30℃，湿度≤25%。示意图如下

涂布走带示意图

正负涂布极片图

2、负极涂布即将负极浆料挤压涂或喷涂在铜集流体AB面上，单面密度≈10～15 mg/cm2，涂布烤箱温度常规4-8节（或更多），每节烘烤温度80℃～105℃按实际需要调整，避免烘烤开裂出现横向裂纹。转移辊速比1.2-1.3，间隙位打薄10-15um，涂布水份≤3000ppm，车间负极温度≤30℃，湿度≤25%。

四部分正极制片

1、正极涂布干燥完，需要在工艺时间内进行对辊。对辊即对极片进行压实，目前有热压和冷压两种工艺。热压压实相对冷压高，反弹率较低；但冷压工艺相对简单易操作控制。对辊主要设备到如下工艺值，压实密度、反弹率、延伸率。同时要注意极片表面无脆片、硬块、掉料、波浪边等现象且间隙处不允许断裂。此时车间环境温度:≤23℃，湿度:≤25%。

压实：单位体积敷料的质量，目前常规物料的真密度数据

常用压实表

反弹率：一般反弹2-3um

延伸率：正极极片一般在≈1.002

极片对辊示意图

2、正极对辊完接下来就是分条，即将整片极片分裁剪宽度一样的小条（对应电池高度），分条要注意极片的毛刺，需要全检极片的X和Y向的毛刺（借助二次元设备），纵向毛刺长度工艺Y≤1/2 H隔膜厚度。车间环境温度≤23℃露点≤-30℃

分切示意图

五部分负极制片

1、负极制片与正极同样操作，但工艺设计不同，车间环境温度:≤23℃，湿度:≤25%。常见负极物质的真密度

常用负极压实表

反弹率：一般在4-8um

延伸率：一般在≈1.0012

2、负极分条与正极分条工艺类似，X和Y向毛刺都需要控制。车间环境温度≤23℃露点≤-30℃

六部分正极片制备

分条完毕后，需对正极片进行干燥处理（120℃），再就是焊接铝极耳和极耳包胶工艺。此时需要考虑极耳长度和整形宽度。

以**650型设计为例，设计极耳外露主要考虑到正极耳要焊接盖帽和滚槽时合理配合。极耳外露过长，滚槽时易使极耳与钢壳短路；过短极耳无法焊接盖帽。极目前超声焊头有线状和点状，国内工艺较多采用线状（过流、焊强考虑）。另采用高温胶将极耳包覆，主要考虑到金属毛刺和金属碎屑造成短路风险。此车间环境温度≤23℃，露点≤-30℃，正极水份含量≤500-1000ppm。

图片18650型正极耳焊接简易工艺

图片卷绕型正极耳焊接示意图

卷绕型正极耳包胶示意图

七部分负极片制备

需对负极片进行干燥处理（105-110℃），再就是焊接镍极耳和极耳包胶工艺。也需要考虑极耳长度和整形宽度。此车间环境温度≤23℃，露点≤-30℃，负极水分含量≤500-1000ppm。

图片18650型负极耳焊接简易工艺

八部分卷绕

卷绕就是将隔膜、正极片、负极片通过卷绕机成单个卷芯。原理是采用负极包住正极，再通过隔膜将正负极片隔离。因为常规体系负极作为电池设计的控制电极，容量设计高于正极，使在化成充电时正极的Li+能在负极“空位“存放。卷绕需要特别关注卷绕张力和极片对齐度。

卷绕张力小，会影响内阻和入壳率；张力过大易造成短路或断片风险。对齐度指负极、正极和隔膜的相对位置，负极宽度59.5mm，正极58mm，隔膜61mm，三者剧中对齐，避免短路风险。卷绕张力一般在正张力0.08-0.15Mpa，负张力0.08-0.15Mpa，上隔膜张力0.08-0.15Mpa，下隔膜张力0.08-0.15Mpa，具体要依据设备和工艺调整。此车间环境温度≤23℃，露点≤-30℃，水分含量≤500-1000ppm。

卷绕极片隔膜叠放顺序示意图

卷绕成卷芯示意图

九部分入壳

卷芯入壳前需要进行Hi-Pot测试电压200～500V（测试是否存在高压短路），吸尘处理（入壳前进一步控制粉尘）。这里需要强调锂电的三大控制点水分、毛刺、粉尘。前面工序完成后，将下面垫垫入卷芯底部后弯折负极耳，使极耳面正对卷芯卷针孔，最后垂直插入钢壳或铝壳（以18650型号为例，外直径≈18mm+高度≈71.5mm）。当然卷芯的横截面积 < 钢壳内截面积，大约入壳率在97%～98.5%，因为要考虑到极片反弹值和后期注液时下液程度。同入面垫工序，将上面垫也装配完成。此车间环境温度≤23℃，露点≤-40℃。

入壳示意图

十部分滚槽

1、将焊针（一般是铜质或合金材质），插入卷芯中间孔。常用焊针规格在Φ2.5*1.6mm，达到负极极耳焊接强度≥12N为合格，过低容易虚焊，内阻偏大；过高容易将钢壳表面的镍层焊掉，导致焊点处生锈露液等隐患。

2、滚槽简单理解就是将卷芯固定在壳体内不晃动。此工序需特别注意横向挤压速度和纵向下压速度匹配，避免横向速度过大将壳体割破，纵向速度过快槽口镍层脱落或影响槽高进行影响封口。需要检测槽深、扩口、槽高工艺值是否达标（通过实际和理论计算）。常见的滚刀规格有1.0、1.2、1.5mm。滚槽完成后需要再次对整体吸尘处理，避免金属碎屑，真空度≤-0.065Mpa，吸尘时间：1～2s 。此车间环境温度≤23℃，露点≤-40℃。

点底焊和滚曹示意图

十一部分电芯烘烤

圆柱电芯经过滚槽之后，接下就是非常重要的一步：烘烤。电芯在制作过程中，会带入一定的水分，如果不及时得把水分控制在标准之内，将会严重影响电池性能的发挥和安全性能。一般采用自动真空烤箱进行烘烤，整齐放入待烘烤电芯，在烘箱里面摆好干燥剂，设置参数，加热升温至85℃（以磷酸铁锂电芯举例），需要经过几个真空干燥循环才能达到标准。

几种不同尺寸电芯烘烤标准：

十二部分注液

将烘烤好的电芯进行水分测试，符合前面的烘烤标准后，才能进行下一步：注入电解液。将烘烤合格的电芯快速放入真空手套箱内，进行称重，记录重量，套上注液套杯，将设计好重量的电解液加入套杯中（一般会进行泡液实验：将电芯放入电解液中，浸泡一段时间，测试电芯最大吸液量，一般按实验量进行注液），放入真空箱中抽真空（真空度≤-0.09Mpa)，加速电解液侵润极片，进行几次循环后，取出电芯进行称重，计算注液量是不是符合设计值，少了需要进行补液，超了需要倒掉多余部分，直到符合设计要求。手套箱环境：温度≤23℃，露点≤-45℃。