锂离子电池生产工艺

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 设计的目的与任务1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.1课程设计背景11.2课程设计目的与任务1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 设计的详细内容2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.1原材料及设备的选取2 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.2电池的工作原理32.3电池的

2、制备工艺设计3制片车间的工艺设计3 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 装配车间的工艺设计6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 化成车间工艺设计7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 包装车间工艺设计9 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.4厂房设计9 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 经济效益10 HYPERLINK l bookmark51 o

3、Current Document 对本设计的评述11 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 参考文献121 .设计的目的与任务1.1课程设计背景自从1990年SONY采用可以嵌锂的钻酸锂做正极材料以来，锂离子电池满足了 非核能能源开发的需要，同时具有工作电压高、比能量大、自放电小、循环寿命 长、重量轻、无记忆效应、环境污染少等特点，现成为世界各国电源材料研究开 发的重点E。锂离子电池已广泛应用于移动电话、便携式计算机、摄像机、照 相机等的电源，并在电动汽车技术、大型发电厂的储能电池、UPS电源、医疗仪器 电源以及宇宙空间等领域具有重要作用心。正极材

4、料作为决定锂离子电池性能的重要因素之一，研究和开发更高性能的 正极材料是目前提高和发展锂电池的有效途径和关键所在。目前，已商品化的锂 电池正极材料有钻酸锂、锰酸锂、镍酸锂等,而层状钻酸锂正极材料凭借其电压 高、放电平稳、生产工艺简单等优点占据着市场的主要地位，也是目前唯一大量 用于生产锂离子电池的正极材料函。1865 0电池是指外壳使用65mm高，直径为18mm的圆柱形钢壳为外壳的锂离子 电池。自从上个世纪90年代索尼推出之后，这种型号的电池一直在生产，经久不 衰。经过近20年的发展，目前制备工艺已经非常成熟，性能有了极大的提升，体 积能量密度已经提高了将近4倍，而且成本在所有锂离子电池中也是

5、最低，目前 早已走出了原来的笔记本电脑的使用领域，作为首选电池应用于动力及储能领 域。1.2课程设计目的与任务如前文所述，在目前商业化的锂离子电池中，很多厂家都选用层状结构的 LiCoO作为正极材料。其理论容量为274mAh/g，实际容量为140mAh/g左右，也有 2报道实际容量已达155mAh/g。本设计拟通过以LiCoO作为正极材料的18650锂电2池电芯器件作为模型，从原料选择、设计原理、制备工艺、封装条件、工作情况 等方面进行系统调研，并设计出相应的电池器件。设计者将通过查阅资料、课题 讨论、技术交流等方式，逐渐设计出合理、科学的18650锂电池电芯，培养初步 的科研思维和科研能力；

6、通过这一综合训练，使我对实际的新能源产品有初步的、宏观的认识和理解，为即将开展的毕业设计乃至实际生产工艺设计奠定必要的基 础。此次设计包括如下任务：（1）18650锂电池电芯制备原料的选取：将列出所选原料的种类、选择 依据以及主要原料的使用技术要求；（2）阐明18650锂电池电芯的工作原理（3）对18650锂电池电芯的制备工艺进行设计：包括电池各部件的详细 制备流程（画出流程简图）；制备方法及所用到的设备；画出必要的设备装置 示意图；制备过程中主要的工艺参数及其选择依据；电池工作环境要求并阐 明依据。（4）对18650锂电池电芯生产厂进行设计，并评估其产能和经济效益。 包括：车间设备布置和工厂

7、总平面布置，成本利润概算，投资评估。设计的详细内容本次设计的产品圆柱形18650锂电池电芯如图2-1所示。我们是按原材料及 设备的选取一生产车间工艺设计一厂房设计一综合评估的顺序来进行设计的。其 中，生产车间工艺的设计为本次设计的重中之重，如下图2-2所示。其余部分的设计如原材料、仪器设备、厂房等将在后续内容中展开以及附图中体现。图2-1圆柱形18650锂电池电芯图2-2圆柱形18650锂电池电芯生产流程2.1原材料及设备的选取本设计选用的主要原料为LiCoO2、石墨、乙炔黑、导电石墨、PVDF、NMP、 MCMB、隔膜、电解液、铝箔、铜箔、极耳、钢壳、PVC等。主要仪器设备有真空 混料机、间

8、隙涂布机、碾压机、极片连轧生产线、全自动分切机、全自动极耳焊 接贴胶机、半自动卷绕机、全自动注液机、滚槽机、封口机、全自动清洗机、化 成设备、全自动喷码机、分容柜等。2.2电池的工作原理18650锂离子电池主要包括正极、负极和电解质，它利用锂离子在正极和负 极之间形成嵌入化合物的锂状态和电位的不同，通过电子的得失来实现充电和 放电过程。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极石墨，而放电时，Li+从 石墨脱嵌，经过电解质嵌入正极，如图2-3所示。反应式如下：正极反应：LiCoO广Li】 C0O2 + xLi+ + xe-负极反应：6C + xLi+ + xe- Li C6电池总反应：LiCo

9、O + 6C Li CoO + Li C21-x2x 6在正极材料LiCoO2中，锂基本是以离子状态存在，而在负极石墨中，锂基 本上以原子状态存在，因此在锂离子和锂原子之间存在较高的电位差。同时，锂 在正极材料中，由于锂离子是嵌入到晶格中，因此离子性更强，从而表现出较高 的输出电压。e- e- e-e- e- e-000 000图2-3工作原理示意图2.3电池的制备工艺设计制片车间的工艺设计制片车间的工艺流程为：正、负极配料一正、负极涂布一正、负极对辊一正、 负极分切一正负极烘烤。这是制作电池的第一个大环节，每道工序都很重要，操作不当，会直接影响产品的性能，增加残次品的比率。为了企业的经济效益

10、，所 以对质量要严格把控，现将工艺重点叙述如下：(1)确定电池的额定容量及用料量设额定容量为2300mAh，正极加料比按钻酸锂:导电剂:粘结剂:制胶 溶剂=100:0.77:1.35:34的比例配制。负极加料比按石墨粉:导电剂:SBR:CMC: 制胶溶剂=100:2.1:4.2:1.7:92的比例配制。正、负极的配料仪器如图2-5 所示。图2-5左、右分别为正、负极拌料仪器正负极粉体过筛正负极粉体过筛是为了除去正负极材料中的金属杂质，主要为铁。正极工艺：a、筛网目数，粉体150目、super-p 100目b、筛网外观：筛 网无破损，网目无干料及杂质堵塞等现象。c、真空输送管无堵塞、通气不顺，

11、罐体清洁无污物、杂质。负极工艺：a、筛网目数，粉体150目、导电剂50目b、筛网外观：筛网 无破损，网目无干料及杂质堵塞等现象。c、真空输送管无堵塞、通气不顺， 罐体清洁无污物、杂质。涂布工序涂布机、碾压机如图2-6、图2-7所示。涂布工艺要求箔材外观表面、切面 平整，色泽均一，无明显亮线、明显凹凸点、暗痕条纹等，边缘无明显翘边和褶 皱，无掉粉，管芯无生锈。箔材按表1的要求进行选取，涂布厚度按表2进行设 置操作。箔材要求箔材厚度箔材面密度箔材宽度铜箔102um8.750.4mg/c m26102mm铝箔162um4.320.4mg/c m26002mm敷料要求A面B面正极敷料量25.160.5

12、mg/c im221.160.48mg/cm负极敷料量10.940.18mg/cm11.040.18mg/cm表2表1图2-6涂布机图2-7碾压机分切工序由于18650电池的直径为18毫米，电池芯的直径应控制在17.5-18毫 米之间，因此，极片不能过长，否则卷成的电芯无法放入筒体中，极片过短 会使电芯无法填满电池筒体，造成安全隐患。铿离子18650电池与镍氢电池 不同，它的盖体时一个复合件，既有能在内压过高和过充时自动打开的安全 阀，还有一个降低或终止充电的温度系数电阻元件(CPTC)。因此，设计极片 宽度时预留10-15毫米的空间，按以下工艺执行。小片宽度：正极：560.1mm负极：580

13、.1mm毛刺：W12um极片弓弧形度：负极：679mm长(一片)弓瓜高W0.68mm正极：660mm长(一片)孤高W0.66mm图2-8装配车间的工艺设计装配车间的工艺流程为：卷绕一入壳一滚槽一极组烘烤一注液一激光焊一封 口。现将卷绕工艺设计如下：卷绕就是用隔膜把正负极极片隔开，卷裹在一起，为入壳做准备。在卷绕前， 应对极片裁切进行正、负极片毛刺检测，毛刺应小于等于12um ；正、负极耳焊 接拉力均大于等于15N；烫孔无变形；隔膜平整、无褶皱破损、依附芯孔壁、无 反弹堵孔。卷绕时应注意对齐度：从卷芯边缘方向，负极完全包住正极，尺寸要 求应为10.7mm ；宽度方向隔膜完全包住负极，尺寸要求应为

14、10.5mm。全自 动卷绕机如图2-9所示，卷好的成品如2-10所示，应无损伤毛刺等不良。其它工序仪器部分展示：注液图2-9全自动卷绕机图2-10卷好的电芯图2-11全自动注液机图2-14烘烤图2-15 封口图2-12入壳图2-13滚槽化成车间工艺设计化成车间工序众多，主要是检测产品性能，分出等级。例如组装后的电池， 被给予一定的电流，使得电池正负极活性物质被激发，最后使电池具有放电能力， 这是化成工序的作用。又如电池经过一定时间的储存后，允许电池的容量及内阻 将有一定程度的变化，经过了一段时间的储存，可以让内部各成分的电化学性能 稳定下来，可以了解该电池的自放电性能的大小，以便保证电池的品质

15、，这就是 老化工序的作用；化成车间工序虽然众多（具体工序参照图2-2），但电池的性 能基本上已经由前面的工序决定，所以分出等级显得尤为重要。现重点介绍分容 工序的设计。电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过 一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容，分容柜如图2-16 所示。一般情况下，Li-ion电池充满电后开路电压为左右，放电后 开路电压为3.0V左右。通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状 态。通过测定产品的电阻和电压的测定，对产品进行归档，按表3进行操作。1234电压（V）4.1-4. 2低于 3.6电阻（）30-3535-40高于2

16、00是否合格合格合格不合格不合格表3本车间其它仪器部分展示：图2-17全自动清洗机图2-18干燥图2-19涂防锈油图2-20全检外观图2-21喷码包装车间工艺设计包装车间的工序有：外观全检-喷等级码-等级扫描检验-包箱-入库。本车间的工序相对简单，只需再次从外观上以及等级扫描对前面分容工序分容进 行核对，分类装箱入库。图2-23等级扫描检验图2-22喷等级码图2-24包箱图2-25入库2.4厂房设计沿海地区经济发达，产业集中，技术成熟，需求量大。但是由于厂家众 多，竞争压力也大。而成都近几年经济快速发展，锂电行业才刚刚起步，场地价 格也较沿海低，若将厂址选建在成都，用心经营，必将趁势凸起。评估

17、本次设计需要3条生产线，一条生产线需要一栋5层的厂房（带电梯）， 故本次设计需要三栋有5层楼的厂房（带电梯，方便运输物料）。厂房内车间配 制情况：制片车间和来料储存间占一楼，装配车间占二楼，化成车间占三楼和四 楼的一部分，包装车间占四楼剩下的一部分，五楼为成品储存间和大会议室。另 外，每层楼配办公室。车间分布以及仪器摆放详情详见厂房车间分布简图。经济效益目前做锂电的厂家盈利的主要目标市场为手机/笔记本电源，而新建的公司没有技术经验、没有管理经验，所以拟定在建厂的前几年与有先进技术经验的厂 家进行合作，贴牌生产，等到办公司的经验丰富之后再自立品牌。预计投资收益 见下表：序号项目名称数据和指标一主

18、要指标1总建筑面积100.00 亩2总投资金额1622.82万美元其中：建筑工程755,24万美元设备及安装费用466.43万美元土地费用158.73万美元二主要数据1年均销售收入2594.40万美元2年均净利润455.12万美元3年销售税金及附加24.07万美元4年均增值税218.80万美元5年均所得税251.71万美元对本设计的评述在本次课程设计中，我暴露出了两大缺点。第一，时间安排不当，其实老师 早就把任务布置下来了，但是我却迟迟不动笔，总觉得时间还早，当时间临近时 发现自己什么都还没弄，搞得自己手慢搅乱，其实这个状态肯定是做不好的。第 二，文字编辑能力实在糟糕，办公软件应用能力差，这些都导致我事倍功半。鉴 于者两大缺点给我的痛苦记忆，我只好加油改掉它们了。尽管有很多不足，但是收获也很多。课程设计是我们学习本专业课程后进行 的一个十分重要的实践性环节。在课程设计中，我需要查阅各种书籍文献，让我 回顾了本专业方向所学的专业理论知识，培养了我综合运用已学的基础理论知识 和专业知识来解决基本工艺设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方 法、工作方法以及计算和编写设计文件的能力。通过这一综合训练，我