锂离子电池(锂离子电池简介)
锂离子电池是二次电池(可充电电池)的一种，它依赖于Li+在两个电极之间的来回嵌脱。随着新能源汽车等下游产业的不断发展，锂离子电池的生产范围不断扩大。本文以钴酸锂为例，全面讲授了锂离子电池的原理、配方和工艺流程，锂电池的性能和测试，生产中的注意事项和设计原则。
一、工作原理
1.阳极结构
钴酸锂+导电剂+粘合剂(聚偏氟乙烯)+集流体(铝箔)
2.负极结构
石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+集流体(铜箔)
3.工作原理
3.1充电过程
电源为电池充电。这时正极上的电子E从外电路跑到负极，正极锂离子Li+从正极跳到电解液中，通过隔膜上的小孔“爬行”，再“游动”到负极，与已经跑过的电子结合。
阳极上的响应为:
负电极上的响应为:
3.2电池放电过程
有恒流放电和恒阻放电。恒流放电实际上是在外部电路中增加一个可变电阻，它可以随着电压的变化而变化。恒电阻放电的本质是在电池的正负电极上加一个电阻，让电子通过。因此，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+同时作用，方向相同，路径不同。放电时，电子通过电子导体从负极跑到正极，锂离子Li+从负极“跳”进电解液，通过隔膜上弯曲的小孔“爬”进去，再“游”到正极，与已经碾过的电子结合。
3.3充电和放电特性
该电池的正极为LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2是具有非常稳定的层结构的晶体。然而，当X Li离子从LiCoO2中去除时，其结构可能会发生变化，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的结构极不稳定，会引起晶体坍塌，其外部是电池单体压倒性的一端。因此，在电池的应用过程中，应通过限制充电电压来控制Li1-xCoO2中X的值。一般充电电压不大于4.2V，那么X小于0.5，那么Li1-xCoO2的晶型仍然稳定。
负极C6有自己的特点。当它第一次形成时，正极锂钴氧化物中的锂被充入负极，当它放电时，锂返回正极锂钴氧化物。然而，在形成之后，一部分Li必须保留在负电极的中心，以保证Li在下一次充放电中的正常插入，否则电池单元将不堪重负非常短。为了保证一部分Li留在负极，一般通过限制较低的放电电压来实现:较高的安全充电电压≤ 4.2v。
记忆效应的原理是结晶，这在锂电池中几乎不会发生。然而，由于各种原因，反复充放电后，锂离子电池的容量仍然会降低。这是正负极材料的一个重要变化。从分子水平来看，正负极上含有锂离子的空空腔结构会逐渐坍塌和堵塞。从化学的角度来看，是正负极材料的活性钝化，以及副反应的出现生成稳定的其他化合物。物理上，阴极材料会逐渐剥离等。简而言之，电池中在充放电过程中可以自由移动的锂离子数量最终会减少。
过度充电和过度放电会永久破坏锂离子电池的正极和负极。从分子水平可以直观地理解，过放电会导致阳极碳过度释放锂离子，进而导致其片层结构的崩溃。过度充电会迫使过多的锂离子进入阳极碳结构，其中一些将不再释放。
不合适的温度会导致锂离子电池中的其他化学反应生成我们不愿意看到的化合物，所以在锂离子电池的正负极之间有一些屏蔽温控隔膜或电解液添加剂。当电池温度上升到一定水平时，复合膜的孔隙闭合或电解液变性，电池内阻增大直至断路，使电池不再上升，保证电池充电温度正常。
第二部分锂电池配方及工艺流程
1.正负电极公式
1.1阳极配方:LiCoO2+导电剂+粘合剂+集流体(铝箔)
氧化锂(10m): 96.0%
碳ECP的2.0%
粘合剂(聚偏氟乙烯761) 2.0%
NMP(增加附着力):固体材料的重量比为8:15。
a)正极的粘度应为6000cps(温度25℃)；
b)NMP的重量应适当调整，以满足粘度要求；
c)特别注意温度和湿度对粘度的影响。
正极材料:
钴酸锂:正极活性物质、锂离子源、电池用锂源进展。非极性物质，形状不规则，粒径D50一般为6-8 m，含水量≤0.2%，通常为碱性，pH值约为10-11。
锰酸锂:形状不规则的非极性物质，粒径D50为5-7 m，含水量≤0.2%，一般呈弱碱性，pH值约为8。
导电剂:链状，含水量小于1%，粒径一般为1-5 m。通常使用导电性能优异的超导炭黑，如柯钦炭黑、ECP炭黑和ECP600JD。它的作用是:提高阴极材料的电导率，补偿阴极活性材料的电子电导率；提高正极板电解液的吸液性，增加反应界面，减少极化。
PVDF胶粘剂:非极性材料，链状，分子量30-300万；吸水后，分子量降低，粘度变差。用于将钴酸锂、导电剂和铝箔或网粘合在一起。常用品牌如Kynar761。
NMP:弱极性液体，用于溶解/溶胀聚偏氟乙烯和稀释浆料。
集流体(正极引线):由铝箔或铝带制成。
1.2负极配方:石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+集流体(铜箔)
负极材料(石墨):94.5%
导电剂(碳ECP): 1.0%(科钦超导炭黑)
粘合剂(丁苯橡胶):2.25%(丁苯橡胶=丁苯胶乳)
增稠剂(CMC): 2.25% (CMC =羧甲基纤维素钠)
水与固体物质的重量比为1600:1417.5。
a)负极的粘度应为5000-6000cps(温度25转/分)
b)水的重量应适当调整，以满足粘度要求为宜；
c)特别注意温度和湿度对粘度的影响。
2.正负混合
石墨:负极活性物质，是负极反应的重要材料；它可以分为天然石墨和人造石墨。非极性物质容易被非极性物质污染，在非极性物质中容易被抽空；在水中不容易吸水或抽空。污染的石墨在水中抽空后容易团聚。一般粒径D50在20m左右。颗粒形状多样且不规则，包括球形、片状、纤维状等。
导电剂:其功能是:
a)提高负极片的导电性，补偿负极活性物质的电子导电性。
b)响应深度和应用进度。
c)防止枝晶的出现。
d)应用导电材料的吸液能力，改善回波界面，减少极化。(可根据石墨粒度分布添加或不添加)。
添加剂:降低不可逆反应，提高附着力，改善浆液粘度，防止浆液沉淀。
增稠剂/抗沉淀剂(CMC):高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。
异丙醇:弱极性物质，可降低粘结剂溶液的极性，提高石墨与粘结剂溶液的相容性；消泡效果强；容易催化胶粘剂的网络交联，提高粘接强度。
乙醇:弱极性物质，可降低粘结剂溶液的极性，提高石墨与粘结剂溶液的相容性；消泡效果强；很容易催化胶粘剂的线性交联，提高粘接强度(异丙醇和乙醇的作用本质上是一样的，我们可以考虑成本因素，然后在批量生产时选择添加哪一种)。
水基粘合剂:将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。小分子线性链乳液，易溶于水和极性溶剂。
去离子水(或蒸馏水):适当加入稀释剂，改变浆料的流动性。
负极铅:由铜箔或镍带制成。
2.1阳极混合:
2.1.1原材料的预处理
1)钴酸锂:脱水。一般在常压下120℃烘烤2小时左右。
2)导电剂:脱水。一般在200℃常压下烘烤2小时左右。
3)粘合剂:脱水。一般在120-140℃常压下烘烤2小时左右，烘烤温度取决于分子量。
4) NMP:脱水。脱水应使用干分子筛或采用特殊的取料设施直接应用。
材料的球磨:
1)停止4小时，分别过筛和球磨；
2)将LiCoO2和Carbon ECP倒入料桶，同时参加磨球(干料:磨球=1:1)，对滚瓶和顶部进行球磨，转速在60rmp以上。
2.1.3原材料的混合:
1)粘合剂溶解(根据水垢浓度)和热处理。
2)钴酸锂与导电剂球磨:将粉体初步混合，将钴酸锂与导电剂粘结在一起，提高团聚性和导电性。浆料制备后，不会单独分散在粘结剂中，球磨时间一般为2小时左右。为了避免混入杂质，玛瑙球通常被用作球磨介子。
2.1.4干粉的排空和浸泡:
原理:固体粉末放入空气体中，随着时间的推移，空气体的一部分会吸附在固体表面。液体粘结剂加入后，液体和气体会开始向固体表面争取；如果固体和气体之间的吸附力大于液体和气体之间的吸附力，液体就不能润湿固体；如果固体对液体的吸附力比气体强，液体就能浸透固体，挤出气体。
当润湿角小于或等于90°时，固体被浸湿。当润湿角大于90°时，固体不润湿。
阴极材料中的所有团队成员都可以被粘合剂溶液浸泡，因此相对容易排空阴极粉末。
疏散方法对疏散的影响；
1)静态法(时间长，后果不好，但不破坏材料原有结构)；
2)搅拌方式:旋转或旋转加公转(时间短，后果好，但可能破坏个别物料的结构)。
桨对疏散速度的影响:桨大致包括蛇、蝴蝶、球体、桨、齿轮等。一般采用蛇形、蝶式、桨式桨叶处理初期难以抽空的物料或配料；球形和齿轮形用于疏散困难的情况，后果是好的。
搅拌速度对抽空速度的影响。一般来说，搅拌速度越高，抽空速度越快，但对物料结构和设备的破坏越大。
浓度对疏散速度的影响。通常浆液浓度越小，排空速度越快，但过稀会导致物料变质，浆液沉淀加剧。
浓度对粘结强度的影响。浓度越大，柔性强度越大，粘接强度越大。浓度越低，结合强度越小。
真空度对疏散速度的影响。高的真空度有利于气体从材料间隙和表面排出，降低液体吸附的难度；当物质完全失重或重力降低时，均匀疏散的难度将大大降低。
温度对疏散速度的影响。在合适的温度下，浆料具有良好的流动性，易于抽空。如果浆料太热，容易起皮，如果太冷，浆料的流动性会大大降低。
稀释:将浆料调整到合适的浓度，以利于涂覆。
2.1.5操作步骤
a)将NMP倒入功率混合器(100升)中至80℃，称量PVDF并启动；参数:转速252转/分，搅拌115-125分钟；
b)打开冷却系统，将研磨好的阳极干料均匀分成四次，每次间隔28-32分钟。第三次投料应根据物料添加NMP，第四次投料后加入NMP；动力混动机参数设置:转速为202r/min。
c)第四次加料302分钟后，高速搅拌48010分钟；；动力混动机参数设置:转速302r/min，转速252 r/min；
d)真空搅拌:将动力搅拌机接至真空，保持真空在-0.09Mpa，搅拌302min；动力混动机参数设置:转数为102分钟，转数为82r/分钟。
e)取250-300毫升浆液，用粘度计测量粘度；测试条件:5号转子，转速12或30转/分，温度刻度25℃；；
f)将正极材料从动力混合器中取出进行胶体研磨过筛，同时在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作人员交接后即可流入拉浆工序。
2.1.6注意事项
a)完成并清理机器设备和工作环境；
b)操作机器时，注意安全，避免头部受伤。
2.2负极混合
2.2.1原材料预处理:
1)石墨:
a、混合、均质原料，提高稠度。
b、300 ~ 400℃常压烘烤，去除表面的油性物质，提高与水性胶粘剂的相容性，并使石墨表面的棱角变圆(有些材料具有粘附表面的特性，不允许烘烤，否则效率会降低)。
2)水性胶:适当稀释，提高排空能力。
2.2.2混合、浸泡和排空:
1)石墨和粘结剂溶液的极性不同，不容易抽空。
2)石墨可先用乙醇水溶液润湿，再与粘结剂溶液混合。
3)应适当降低混合浓度，以改善排空。
4)排空过程是减少极性物体与非极性物体之间的距离，提高势能或表面能，被认为是吸热反应，搅拌时整体温度降低。如果条件允许，应适当提高混合温度，使其更容易吸热，同时提高流动性，降低抽空难度。
5)如果搅拌过程参与真实空脱气过程，气体会被排除，固液吸附增强，后果会更好。
6)疏散原则和疏散方法与技术资源的网架杆件配料中的相关内容相同。
2.2.3稀释:
将浆料调节至合适的浓度，以利于涂覆。
材料的球磨
1)将负极和KetjenblackECP倒入料桶中，同时参加球磨(干料:磨球=1:1.2)，在滚瓶上球磨，转速在60rmp以上；
2)停止4小时，分别过筛和球磨；
2.2.5操作步骤
1)将纯净水加热至80℃并倒入动力混合器(2L)
2)加入CMC，搅拌602分钟；；动力混动机参数设置:转数为252分钟，转速为152转/分钟；
3)加入丁苯橡胶和去离子水，搅拌602分钟；；
动力混动机参数设置:转速302min，转速202 r/min；
4)负极干料按平均顺序分四次加入，同时加入纯水，每次间隔28-32分钟；动力混动机参数设置:转速为202r/min，转速为152 r/min；
5)第四次加料302转/分后，高速搅拌48010分钟；；
动力混动机参数设置:转速302r/min，转速252 r/min；
6)真空搅拌:将动力搅拌机接至真空，保持真空在-0.09 ~ 0.10 MPa，搅拌302min；
动力混动机参数设置:转数为102分钟，转数为82r/分钟。
7)取500毫升浆液，用粘度计测量粘度；
测试条件:5号转子，转速30转/分，温标25C；
8)将负极材料从动力混合器中取出研磨过筛，同时在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作人员交接后即可流入拉浆工序。
2.2.6注意事项
1)完成并清理机械设备和工作环境；
2)操作机器时，注意安全，避免撞到头部。
配料注意事项:
防止与其他杂质混合；
防止泥浆飞溅；
浆料的浓度(固含量)应由高到低逐渐调整，避免生长麻烦；
搅拌间歇过程中注意刮边、刮底，确保抽真空均匀；
浆料不宜长时间搁置，以免沉淀或均匀性降低；
要烘烤的材料必须密封冷却后才能参与，以免改变部件和材料的性能；
搅拌时间的长短主要取决于设备性能和物料含量；
搅拌桨的应用根据排浆难度而改变。如果不能改变，可以由慢到快调节转速，避免损坏设备。
出料前将浆料过筛，去除大颗粒，防止涂布时断带；
加强配料人员的培训，保证他们对专业知识的掌握，以免造成大的灾难；
配料的关键在于均匀疏散，控制中心，其他方法可自行调整。
第三部分电池制造所需的参数
1.极片尺寸
2.制浆过程
a)集电器尺寸
正极(铝箔)，间歇涂覆
负极(铜箔)，间歇涂覆
b)拉动重量请求
3.阳极浆料提拉后进行以下过程:
切大块、切小块、称块(配块)、烘烤轧块、焊接负极极耳，并进行以下程序:
切大块、切小块、称块(配块)、烘烤轧块、吊耳焊接
.4.滚动请求
5.匹配计划
6.烘烤极片。
备注:真空系统的真空度为-0.095-0.10 MPa；保护气体为高纯氮气，气压大于0.5Mpa
7.标签的制造
a)正极:
正极接线片通过超声波焊接在正极接线片上。铝带的末端与极片的边缘齐平。
b)负极:
镍带尺寸:0.103.048mm，镍带直接用点焊机点焊，所需点焊点数为8点。镍条的右侧与负极片的右侧对齐，镍条的末端与电极片的边缘齐平。
8振膜尺寸:0.02544.07905毫米
卷绕针宽度:22 . 650 . 05毫米
10压芯:电池绕好后，先在电芯底部贴一条24毫米宽的透明胶带，然后用压扁机冷压两次。
1.在电池进入外壳之前请求
胶带1: 10.038.01.0 mm，均匀分布在电池两侧；
胶带2: 10.038.01.0 mm，胶带中央有镍条；
胶带3: 24.030.02.0 mm，均匀分布在电池两侧；
从镍条右侧到电池组电池右侧的距离为7.01.0毫米。
12.壳
安装外壳技术资源网时，双手同时用力，慢慢将电芯装入电池外壳，防止划伤电芯。
13负极极耳焊接
负极镍条与钢壳应采用点焊机焊接，以保证焊接强度，防止假焊。
14激光焊接
激光焊接时，应仔细安装夹具，配合良好后可将电池盒与上盖焊接，避免焊接偏差。
15电池真空烘焙
备注:
(1)真空系统的真空度为-0.095 ~-0.10 MPa；
16流体注入:2 . 90 . 1克
注液室相对湿度:≤30%，温度:205℃。密封带:6mm宽的红色胶带。粘纸时注意擦拭注液口的电解液。用两条橡皮筋将棉花固定在注液口。
17成华系统
(1)牙齿成型工艺
a)恒流充电:40mA4h；80mA6h
电压极限:4.00伏
b) 全检电压，电压≥3.90V的电池进行封口，电压