《储能材料与器件智能制造技术》课件-项目七 锂离子电池相关工艺

《储能材料与器件智能制造技术》1.电池浆料的生产在锂离子电池从原材料到成品的复杂制造旅程中，电池浆料的生产如同为电池注入“生命之源”的关键工序。作为连接正负极材料与电芯组装的核心环节，电池浆料的性能优劣直接决定了电池的能量密度、充放电效率以及循环寿命。从正极浆料中活性物质、导电剂、粘结剂的精准配比，到负极浆料确保锂离子稳定嵌入脱出的结构塑造，每一次搅拌、分散与调控，都在为电池的性能表现奠定基础。这项融合材料科学、化学工程与机械自动化的生产工艺，正以精益求精的姿态，成为推动锂离子电池技术迭代升级、满足新能源市场严苛需求的核心力量。电池浆料是锂离子电池制造过程中最为关键的原材料之一，其质量直接影响到极片的均匀性、附着力以及后续电池性能。电池浆料一般由正负极活性材料、导电剂、粘结剂以及溶剂等按照一定比例混合而成。正负极活性物质作为电极的核心材料，负责锂离子的嵌入/脱出反应，决定电池的容量和电压平台；粘结剂的作用是通过高分子链的黏附作用（如PVDF、CMC/SBR），固定活性物质和导电剂颗粒，维持电极结构完整性，并确保涂层与集流体（铝箔/铜箔）的粘附力；导电剂的作用是构建电子导电网络，连接活性物质颗粒与集流体，降低电极欧姆阻抗。常用的导电剂包含炭黑、碳纳米管、石墨烯等。溶剂主要是提供分散介质，溶解粘结剂并润湿颗粒表面。溶剂包含油性体系和水性体系，油性体系常用NMP，水性体系用去离子水），正极活性材料通常用油性体系分散，而负极活性材料水性和油性溶剂皆可使用，考虑到成本去离子水仍是目前商业锂离子电池负极制浆的主流溶剂。电池浆料制备常用的设备是双行星搅拌机，它是一种专用于高粘度、高密度物料（如电池浆料、密封胶、化妆品膏体等）的工业混合设备，通过行星式复合运动实现高效搅拌、分散与反应。电池浆料的生产过程主要包括几个步骤：首先根据电芯设计要求确定各组分的配比。如正极材料采用磷酸铁锂（LFP）作为活性材料，导电剂采用炭黑（SP），粘结剂采用PVDF，各组分质量配比为LFP:SP:PVDF=96.5%:1.5%:2%；负极采用人造石墨(Gr)作为活性材料，导电剂采用炭黑(SP)，粘结剂采用SBR，增稠剂采用CMC，各组分质量配比为Gr:SP:CMC:SBR=96.4%:1.0%:0.6%:2.0%。合理的组分比例不仅可以提高电极的导电性和机械强度，同时也能优化电池的循环稳定性和倍率性能。浆料制备的各组分中，活性物质提供离子脱嵌位点，导电剂构建电子通路，粘结剂维持结构稳定。理想状态下，导电剂应均匀包覆活性物质表面以减少接触电阻，而粘结剂需在颗粒间形成有效连接而不堵塞孔隙。配比失衡（如高活性物质+低导电剂）会破坏此协同性，导致局部过充、锂枝晶生长及循环衰减。因此，优化配比需综合考量组分性质与工艺适配性，以实现高能量密度、低内阻和长循环寿命的平衡。其次将各原料在规定的溶剂中进行预混合。预混合阶段的主要目的是使固体成分在少量溶剂中初步分散，降低后续混合时产生团聚的可能。通常采用搅拌或低速分散设备进行初步搅拌，以保证混合均匀。接下来，加入预定量的溶剂，通过高速搅拌和超声波处理对预混合物进行深度分散。高速搅拌有助于打散物料中的微小团聚体，而超声波则能利用声波震动进一步破坏颗粒之间的粘结，使浆料达到细腻均匀的状态。此阶段的关键在于控制搅拌时间和超声处理强度，既要充分分散又不能过度剪切而破坏活性物质的结构。最后将处理后的浆料通过滤网进行除渣和脱泡。滤网可以有效去除混合过程中可能引入的异物，而脱泡工序则是利用真空或静置方法，使浆料中产生的气泡排出，确保浆料均匀性和致密性。气泡的存在可能在后续涂布工艺中引起局部厚薄不均，影响极片质量分布。在整个浆料制备过程当中，如何评价浆料的质量水平非常关键。工业上，评价浆料的性能参数主要有浆料粘度，浆料固含量和浆料细度流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表现，粘度大则内摩擦力大。工业上对于小批量生产正、负极浆料粘度需在3000~6000cp之间；1）浆料粘度：粉状物质被研细分散在浆料中的程度，表征浆料的颗粒度大小。工业生产上磷酸铁锂浆料细度通常≤30um，石墨浆料≤40um；2）浆料细度：工业上，评价浆料的性能参数主要有浆料粘度，浆料固含量和浆料细度浆料在规定条件下烘干后剩余部分占总量的质量百分数，表征浆料内固体物质所占的重量比例。例如工业上磷酸铁锂正极浆料固含量为68%，三元正极浆料为74%，人造石墨负极浆料固含量为55%。在工业生产上，为了保证生产一致性，生产过程中需要严格控制生产工艺条件来确保以上三个关键参数在一定的公差范围内波动。浆料粘度、浆料细度和浆料固含量在大规模生产当中也被称为合浆工序过程的关键控制点（keycontrolpoint）。整个电池浆料的生产过程要求环境洁净、工艺参数精确控制，并且对设备的搅拌、分散、脱泡及涂布技术有较高要求。只有通过严格控制各环节，才能制得高质量的浆料，从而确保整个电池生产过程的稳定性和最终产品的性能一致性。3）固含量：电池浆料的生产，既是一门精准配比的科学，也是一项追求极致的艺术，每一个细微的参数调整、每一次精心的工艺优化，都在为锂离子电池性能的飞跃积蓄力量。从保障电极结构稳定，到构建高效电子传输网络，它以不可或缺的姿态，成为推动新能源汽车续航提升、储能电站稳定运行的关键基石。尽管面临新型材料适配、环保压力与成本控制等挑战，但随着材料创新、工艺优化与智能化技术的深度融合，电池浆料生产工艺必将持续突破瓶颈。未来，它将以更高效、更绿色、更智能的方式，为锂离子电池技术的迭代升级注入强劲动力，助力人类在清洁能源应用的道路上迈出更坚实的步伐，驶向可持续发展的能源未来。《储能材料与器件智能制造技术》2.锂离子电池极片的生产在锂离子电池“储存能量、释放动力”的奇妙过程中，极片作为直接参与电化学反应的核心部件，堪称电池的“心脏”。无论是新能源汽车的超长续航，还是储能电站的稳定供能，都依赖于极片精准的结构设计与高质量的生产工艺。从正极极片承载活性物质的高效氧化还原反应，到负极极片为锂离子提供稳定的嵌入脱出通道，极片生产的每一道工序，从浆料涂布、辊压成型到分切制片，都在微观尺度上塑造着电池的能量密度、循环寿命与安全性能。这项融合材料科学、精密制造与自动化控制的生产技术，已然成为推动锂离子电池产业不断革新、满足全球能源转型需求的关键引擎。极片是锂离子电池的核心部件之一，由正极和负极涂覆层与金属集流体复合而成，其生产过程直接影响电池的能量密度、倍率性能和循环寿命。除了浆料制备外，极片的生产还包括涂覆、干燥、辊压和分切四个步骤，如图所示。涂覆涂覆工艺是极片生产中的关键环节，其主要任务是将事先制备好的电池浆料均匀涂布在金属集流体（正极用铝箔、负极用铜箔）表面，形成具有一定厚度和均匀度的活性材料层，且涂覆层的面密度、涂覆区的宽度及留白区（未涂覆区）尺寸满足图纸要求。在实际生产中，首先采用高精度泵将浆料输送至涂布设备；涂覆方式可根据生产需求选择间歇涂覆或连续涂覆，常用的设备有狭缝涂布机或刮刀涂布机。涂覆过程中，控制涂层的均匀性至关重要，要求涂层重量误差控制在±1.5%以内，避免因局部厚薄不一而出现气泡或颗粒沉积，从而影响后续的活性层附着力和电化学性能。1）面密度：极片表面涂层物质在单位面积内的质量，用以表征正负极浆料或活性物质的涂覆量，直接关系到电池重量及电池容量发挥；涂布生产中的关键控制点是涂布面密度（涂布重量）、单双面错位尺寸和极片表面质量2）单双面错位尺寸：极片涂覆层的A面与B面正反对照处的边缘在极片宽度方向上的错位尺寸；错位尺寸应控制在一定范围，避免极片包覆不良；3）极片表面质量：涂覆后极片的表面外观水平；外观不良通常指涂覆区（含极耳涂胶区）划痕、极片褶皱、留白区褶皱、颗粒、气泡等；涂覆干燥涂覆完成后，涂层中的溶剂需要迅速蒸发，以使活性层完全固化并牢固附着于金属集流体表面。干燥工艺通常采用热风干燥的方式，通过高温热风使浆料中的溶剂快速蒸发。为保证干燥均匀，干燥通道通常分为多个阶段，各段温度和风速分别精确控制。正极材料的干燥温度一般控制在80-120°C之间，而负极材料则多在60-80°C左右，具体温度需依据所用溶剂的沸点和粘结剂特性进行调整。同时，为减少环境污染和能源浪费，干燥过程中产生的溶剂蒸汽会经过专门的溶剂回收系统进行回收利用。在磷酸铁锂电池的生产中，干燥温度的精准控制尤为重要，防止因温度过高导致粘结剂降解或活性材料结构改变。辊压干燥固化后的极片通常存在一定的多孔结构，通过辊压工艺可进一步提高极片的密度和导电性能，同时增强活性层与集流体之间的附着力。辊压工序一般采用高精度辊压机，通过调节辊压机的压力和辊筒温度，实现对极片压实密度的精准控制。三元正极压实密度通常要求达到3.2-3.6g/cm³，而负极则在1.4-1.8g/cm³之间。辊压过程中还需对极片施加适度的张力，防止因过大张力而导致材料破损，同时确保整个极片平整无裂纹。特别是在高倍率电池生产中，严格控制辊压密度能够在保证导电性能的同时，兼顾离子扩散效率，为电池整体性能提供保障。辊压辊压的目的是将涂布后的极片通过辊压机辊压至满足图纸要求的厚度规格，加工过程中配备激光自动测厚装置，实时监测辊压厚度。工业上，辊压工艺的关键控制点是辊压厚度、弓形高和极片表面质量：1）辊压厚度：指极片经辊压后的极片厚度，通常用万分尺进行测量；2）弓形高：取一定长度的辊压后极片，将两端固定并平整拉伸，测量该段极片弯弧中心与两端点连线的垂直距离，表征极片辊压后的延展变形程度；3）极片表面质量：辊压后极片表面质量需满足平整度、厚度一致性、无缺陷、合理孔隙率四大核心要求。表面平整无波浪翘曲、厚度均匀、无暗斑裂边等缺陷，且活性物质与集流体粘接牢固，无明显掉料。分切辊压后的极片需要根据电池设计要求进行精确裁切，以便后续电池组装。分切工艺通常采用高精度分切机进行裁切，要求极片裁切尺寸的误差控制在±0.1mm以内。分切过程中，极片的边缘必须经过清理处理，确保无毛刺或金属碎屑残留，以防在电池组装时引起短路或其他安全隐患。特别是在软包电池的生产中，分切后的极片需与叠片或卷绕工艺精准匹配，确保电池内部结构的紧密和整体性能的一致性。同时，分切过程中产生的废料也会进行分类回收和处理，实现资源的再利用和环保要求。极片生产的技术要求在整个极片生产过程中，各工序之间的衔接和工艺参数的严格控制是保证极片质量的关键。首先，必须保证涂覆、干燥、辊压和分切各环节的一致性，使得每一片极片在厚度、密度和尺寸上均保持高度一致，从而确保电池在组装后的性能稳定。其次，生产环境需要保持无尘状态，避免杂质侵入极片内部，影响其电化学反应。最后，优化溶剂回收及废料处理工艺，实现绿色生产和资源循环利用，符合现代环保要求。通过对涂覆、干燥、辊压和分切四个步骤的严格控制和优化，极片的生产不仅为锂离子电池提供了高质量的活性层，还为整个电池系统的高能量密度、长循环寿命和优良倍率性能奠定了坚实基础。各环节中所采用的先进设备和精密工艺，正不断推动锂离子电池向更高性能和更高可靠性方向发展。锂离子电池极片的生产，是一场在微观世界里追求极致的“智造”之旅。每一次浆料的精准涂布、每一回辊压的力度把控、每一步分切的尺寸苛求，都凝聚着科研与生产人员对电池性能提升的不懈追求。它不仅是电池制造的关键环节，更是新能源产业发展的重要支撑。尽管前行道路上充满技术挑战与环境压力，但随着工艺创新、智能升级与绿色转型的加速推进，极片生产工艺必将不断突破极限。未来，它将以更高效、更精密、更环保的姿态，持续为锂离子电池注入强劲动力，助力新能源汽车驰骋更远、储能系统运行更稳，为全球能源结构转型和可持续发展贡献核心力量。《储能材料与器件智能制造技术》3.锂离子电池的装配当锂离子电池极片经过层层精密制造，具备了基本的电化学活性后，电池装配便成为赋予其“完整生命”的核心环节。从将极片、隔膜、电解液等关键部件有序组合，到完成注液、封装、化成等一系列操作，电池装配不仅决定了电池的最终形态与结构，更直接影响其充放电性能、循环寿命乃至安全可靠性。在新能源汽车对续航与安全的严苛要求，以及储能系统对稳定供能的迫切需求下，这项融合精密组装技术、自动化控制与质量检测的复杂工艺，已然成为连接材料研发与终端应用的桥梁，是推动锂离子电池从实验室走向大规模产业化应用的“最后一道关键屏障”。锂离子电池的装配是将制备好的正负极片、电解液、隔膜等关键部件按照电池结构设计要求进行组合的过程，其工艺精度直接影响电池的安全性、性能和寿命。装配工艺通常包括极片叠片或卷绕、极耳焊接、注液、封装以及化成与分容等步骤。如图所示，极片叠片或卷绕是将正极片、负极片和隔膜依照预定顺序组合成电池核心结构的关键工序。在叠片工艺中，工人或机械设备按照设计要求将正负极片和隔膜逐层叠加，然后利用专用夹具将各层紧密固定，并通过导出极耳实现电极的外部连接；这种方法通常适用于软包电池或追求更高能量密度的产品。卷绕工艺则是利用自动卷绕机将正负极片和隔膜连续卷成圆柱形或方形电芯，此过程中对张力的控制十分关键，以确保卷绕后的边缘平整无褶皱，同时便于后续极耳焊接。无论采用哪种方式，都要求正负极片与隔膜之间对齐精度高，通常误差控制在±0.2mm以内，以避免因偏移或毛刺引起内部短路风险。（1）极片叠片或卷绕如图所示展示了软包聚合物锂电池的封装过程，其中极耳焊接是将正极和负极的导电片分别与电池外壳的端子连接起来，保证内部电路的良好导通。焊接工艺可采用超声波焊接或激光焊接等方式。焊接前，首先需要对焊接面进行充分清洁，确保没有油污或氧化物影响焊接质量；接着将极耳与端子对齐，进行精密焊接，要求焊点位置偏差控制在±0.1mm以内。焊接点必须具备足够的机械强度，能承受使用过程中可能出现的拉力，同时焊接处的接触电阻要尽可能低，以免因局部发热影响电池性能。在高精度动力电池的生产中，激光焊接因其非接触式高精度特点被广泛应用。（2）极耳焊接注液工序是将电解液均匀注入电芯内部的关键步骤，直接关系到电池的电化学反应效率和循环稳定性。一般采用真空注液技术，即在真空环境下将电解液注入电芯，确保电解液能够充分渗透到正负极之间的微小缝隙中，并有效排除气泡。注液过程中，要求注液量的控制精度在±0.2g以内，防止因注液不足或过多而导致电池内部压力不平衡或离子传输不畅。此外，注液环境必须保持无尘洁净，以避免杂质对电池性能的干扰。高能量密度电池在生产中往往需要对注液参数进行细致优化，以提高离子迁移效率，确保电池在高倍率放电时性能稳定。（3）注液封装工序主要是对注液后的电芯进行密封处理，以确保电池内部不受外界空气和湿气的侵入，保证长期安全稳定运行。封装方法主要包括热压封装、激光焊接和铝塑膜封装等。封装时，首先通过封口设备将电芯边缘进行密封，然后进行气密性检测，确保没有泄漏隐患。同时，封装区域需要具备足够的抗拉强度，以防止因外力作用而破坏密封。软包电池通常采用铝塑膜封装，其既能实现轻量化，又能提供较高的机械强度；而对于圆柱形和方形电池，热压封装和激光焊接更能满足高安全性的要求。（4）封装化成与分容是电池装配的最后阶段，主要目的是激活电池内部的电极材料，并对电池容量进行分选，确保每个电池在出厂前性能一致。化成工序通过对电池进行首次充放电循环，使正负极材料形成稳定的电化学结构，在充放电过程中严格控制电流和电压，以防止过充或过放引起副反应；随后，通过分容工艺对电池的容量进行精确检测，要求容量偏差通常控制在±5mAh以内，同时检测内阻、倍率性能等关键指标，淘汰性能不合格的产品