電池原理和主要過(guò)程控制點(diǎn)

電池基本原理電池組成要素電池——電解槽①基本組成要素有：正極、負(fù)極、電解液②輔助組成要素有：集流體、導(dǎo)電柱、隔膜、外殼等從左圖可知，其實(shí)一個(gè)電池是由許多結(jié)構(gòu)相同的小電池并聯(lián)而成的。正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極正極隔膜負(fù)極鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)1、電壓高傳統(tǒng)的干電池一般為1.5V，而鋰離子電池可高達(dá)3.9V2、比能量高體積能量密度400Wh/L以上，為傳統(tǒng)鋅負(fù)極電池的2~5倍3、工作溫度范圍寬-40~70℃4、可快速充放電5、放電平穩(wěn)大多數(shù)鋰一次電池具有平穩(wěn)的放電曲線6、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)預(yù)期可達(dá)10年7、沒有環(huán)境污染

●循環(huán)壽命：在一定條件下，將充電電池進(jìn)行反復(fù)充放電，當(dāng)容量等電池性能達(dá)到要求以下時(shí)所能發(fā)生的充放電次數(shù)?！褡苑烹姡弘姵卦跀R置過(guò)程中，沒有與外部負(fù)荷相連接而產(chǎn)生容量損失的過(guò)程（電池內(nèi)部微短路、電極的腐蝕、活性物質(zhì)的溶解以及電極上的歧化反應(yīng)等）?！穹烹娝俾剩罕硎痉烹姵潭鹊囊环N量度。所用的容量1h放電完畢，稱為1C放電；5h放電完畢，則為0.2C放電?！駧?kù)侖效率：在一定的充放電條件下，放電時(shí)釋放出來(lái)的電荷與充入的電荷的百分比（也叫充放電效率）

電池相關(guān)術(shù)語(yǔ)鋰離子電池反應(yīng)機(jī)理LiCoO2+CLiYC6+LixCoO2+Li1-X-YR充電時(shí)，鋰離子從八面體位置發(fā)生脫嵌，釋放一個(gè)電子；放電時(shí)，鋰離子嵌入八面體位置得到一個(gè)電子。X的范圍0≤X≤0.5，當(dāng)X>0.5時(shí)，LixCoO2在有機(jī)溶劑中不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生失氧反應(yīng)；同時(shí)CoO2不穩(wěn)定，容量發(fā)生衰減。固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）SEI膜：充電時(shí)Li+和電解液、C等物質(zhì)，在負(fù)極表面形成一層致密的膜，這層膜只允許離子通過(guò)，不允許其他大的分子進(jìn)入。如果該膜不穩(wěn)定或致密性不好，一方面電解液會(huì)繼續(xù)在發(fā)生分解；另一方面溶劑會(huì)發(fā)生插入，導(dǎo)致碳負(fù)極結(jié)構(gòu)破壞。SEI膜形成：1、0.5V以上膜開始形成2、0.55~2V膜基本形成。（時(shí)間非常短，就幾分鐘）一、鋰離子含量即容量，正極活性物質(zhì)的量決定容量。

?LiCoO2+CLiC6+LixCoO2二、正極過(guò)量會(huì)析出鋰枝晶，易產(chǎn)生安全問(wèn)題，所以負(fù)極比正極稍微過(guò)量。?LiCoO2+CLiC6+LixCoO2+Li三、電解液起到運(yùn)輸鋰離子的作用，因此實(shí)際量必須保證。鋰離子電池設(shè)計(jì)原則四、水分會(huì)消耗鋰離子，影響容量，同時(shí)產(chǎn)生氣體造成鼓殼；同時(shí)可能和電解質(zhì)反應(yīng)，影響電池的循環(huán)、平臺(tái)等，所以鋰離子電池不能有水分。?LiCoO2+C＋H2OLiC6+LixCoO2+LiR+氣體?LiPF6＋H2OLiF+PF3O+2HF生成HF會(huì)和SEI膜反應(yīng)，生成水和氣體。鋰離子電池設(shè)計(jì)原則鋰離子電池設(shè)計(jì)原則五、隔膜紙起著隔離的作用，一定不能破損，否則正、負(fù)極直接短路會(huì)帶來(lái)安全問(wèn)題。六、負(fù)極一定包注正極。電極中的各種材料用途特性比表面積（m2/g）：指材料單位質(zhì)量粒子所具有的表面積。（測(cè)試方法：計(jì)算單位重量的材料所吸附的氬氣體積）。

粒徑（μm）：材料顆粒大小的描述，指材料粒子的直徑大小。D50則描述材料平均粒徑大小。

振實(shí)密度（g/cm3）：材料通過(guò)一定機(jī)械振動(dòng)所得單位質(zhì)量所振實(shí)下去的體積。

另外，還有材料本身結(jié)構(gòu)、外觀型態(tài)、放電容量、容量效率、雜質(zhì)含量等也是各項(xiàng)材料性能制約因素。材料理化性能定義及描述1、電極材料

就一般鋰離子二次電池而言

正極材料：鈷酸鋰，本身克容量135-150mAh/g，壓實(shí)密度3.65-4.00g/cc，LiCoO2為正極的鋰離子電池具有開路電壓高、比能量高（理論比能量1068Wh/kg，理論容量274mAh/g）、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能快速放電的特點(diǎn)，但價(jià)格貴。

負(fù)極材料：人造石墨、中間相碳微球、天然石墨改性類等等。

普通人造石墨：克容量290-310mAh/g，壓實(shí)1.45-1.55g/cc。

中間相碳微球：克容量310-320mAh/g，壓實(shí)1.55-1.65g/cc。

天然石墨改性：克容量320-340mAh/g，壓實(shí)1.55-1.65g/cc。2、導(dǎo)電劑類

碳墨類導(dǎo)電劑，屬無(wú)定形碳，導(dǎo)電性能良好，有強(qiáng)吸附性，比表面積大，約為60-100m2/g，其本身沒有容量（S-P，S-S，乙炔黑）。

人造石墨類導(dǎo)電劑，導(dǎo)電性較碳墨類稍差，但比表面積較小，為10-30m2/g，本身有容量，約為290mAh/g，其加工性能較好（KS-6，S-O）。

另外還有天然石墨類，因其本身導(dǎo)電性良好，也可作為導(dǎo)電劑，又因本身容量較高，也可作為負(fù)極材料。而納米級(jí)碳纖維，導(dǎo)電性能良好，加工性能良好，但價(jià)格昂貴。3、膠類

對(duì)于俗名為PVDF的高分子膠來(lái)說(shuō)，其化學(xué)名為聚偏氟乙烯，其粘度的大小受分子量、官能團(tuán)位置及加工工藝影響。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于相同加工工藝、相同官能團(tuán)位置，則其分子量越大其粘度越高，但隨著粘度的增高，其對(duì)漿料的沉降現(xiàn)象也就更為明顯。而CMC和SBR則為水性體系中所配合使用的膠。

CMC（羧甲基纖維素納）：白色或微黃色粉末，本身有粘接性能，但在水性體系中其最基本作用還是分散材料及SBR。

SBR（丁苯橡膠乳）：白色帶淺藍(lán)色乳狀液體，高分子化合物，與CMC混合使用，其粘接性能較好。

通過(guò)高溫除去材料中的雜質(zhì)和水分①溫度偏高—正極材料結(jié)塊②溫度偏低—水分和雜質(zhì)去除不干凈，導(dǎo)致所有水分引起的問(wèn)題。正負(fù)極材料熱處理制程過(guò)程控制點(diǎn)—1潛在問(wèn)題

使各種原材料充分分散①攪拌不均勻—引起電池局部不均勻，對(duì)棍后可能出現(xiàn)極片有暗痕、硬塊等現(xiàn)象，電池可能出現(xiàn)容量、內(nèi)阻和循環(huán)壽命的異常甚至安全問(wèn)題。②攪拌過(guò)程中有雜質(zhì)混入—影響電池性能攪拌制程過(guò)程控制點(diǎn)—2潛在問(wèn)題

使?jié){料均勻地涂覆在基體表面并烘干①拉漿厚度不穩(wěn)定/拉漿機(jī)調(diào)試不到位—引起電池的局部不均勻，可能導(dǎo)致電池的容量和循環(huán)壽命的異常甚至安全問(wèn)題②溫度不穩(wěn)定—極片烘不干引起掉粉或過(guò)熱影響極片的粘接性能拉漿制程過(guò)程控制點(diǎn)—3潛在問(wèn)題

將極片上無(wú)效位置和極耳位置的覆料刮除①刮粉尺寸不準(zhǔn)—造成電池裝配難度增加，甚至使正負(fù)極根本無(wú)法吻合，引起電池的安全問(wèn)題②刮傷基體—導(dǎo)致斷片或形成毛刺，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電池的安全問(wèn)題刮粉制程過(guò)程控制點(diǎn)—4潛在問(wèn)題

增加電極活性物質(zhì)的密度并使表面平整①壓力不足，輥壓厚度不到位—裝配困難，卷繞對(duì)位不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)可能引起安全問(wèn)題②輥面不平整—極片表面不光滑甚至有毛刺，引起電池短路、自放電甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題③壓的太死，極片太脆或斷片，引起電池容量、內(nèi)阻、循環(huán)等性能異常。對(duì)輥制程過(guò)程控制點(diǎn)—5潛在問(wèn)題

按型號(hào)要求剪裁極片①切口有毛刺—引起電池短路、自放電甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題②極片出現(xiàn)弧形—裝配困難，卷繞對(duì)位不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)可能引起電池短路甚至安全問(wèn)題分條制程過(guò)程控制點(diǎn)—6潛在問(wèn)題

使極片和極耳良好連接在一起虛焊—電池?cái)嗦坊騼?nèi)阻偏大正極焊接制程過(guò)程控制點(diǎn)—7潛在問(wèn)題

使極片和極耳良好連接在一起鉚接不牢—電池內(nèi)阻增大甚至無(wú)窮大負(fù)極鉚接制程過(guò)程控制點(diǎn)—8潛在問(wèn)題

封住極耳部位可能存在的毛刺貼的位置不當(dāng)，露出毛刺或貼住活性材料—毛刺引起電池的短路或安全問(wèn)題，正極活性物質(zhì)被貼住會(huì)影響容量正負(fù)極貼膠紙制程過(guò)程控制點(diǎn)—9潛在問(wèn)題

除去極片中的水分①溫度過(guò)高—極片變脆，引起極片掉粉或電池短路，導(dǎo)致電池自放電大甚至安全問(wèn)題②溫度過(guò)低—極片除水不凈，導(dǎo)致電池容量低、內(nèi)阻不穩(wěn)定、循環(huán)差極片烘烤制程過(guò)程控制點(diǎn)—10潛在問(wèn)題

隔膜良好絕緣的基礎(chǔ)上正負(fù)極良好地疊合①正負(fù)極片對(duì)位不齊—正極活性區(qū)域超出負(fù)極活性區(qū)域，具有安全隱患②操作過(guò)程中隔膜受到損傷—導(dǎo)致電池短路或自放電大，甚至引起安全問(wèn)題卷繞制程過(guò)程控制點(diǎn)—11潛在問(wèn)題

將圓卷芯折成方形卷芯捏扁時(shí)位置不對(duì)—使極耳偏離設(shè)計(jì)位置，引起套殼和蓋板焊接困難捏扁制程過(guò)程控制點(diǎn)—12潛在問(wèn)題

使電池芯疊層緊密，方便套殼壓力過(guò)大或過(guò)小—壓力過(guò)大易導(dǎo)致電芯壓壞短路，壓力過(guò)小使電芯壓不到位，影響下步操作壓扁制程過(guò)程控制點(diǎn)—13潛在問(wèn)題

避免電池芯和殼體或蓋板間的短路位置不當(dāng)—在電池受外界震動(dòng)或碰撞時(shí)不能完全避免電池的內(nèi)部短路，容易出現(xiàn)安全問(wèn)題貼上下膠紙制程過(guò)程控制點(diǎn)—14潛在問(wèn)題

將電芯完好無(wú)損地裝電池殼中套破—使電池短路或自放電大，具有安全隱患套殼制程過(guò)程控制點(diǎn)—15潛在問(wèn)題

使正極耳和蓋帽良好連接在一起虛焊—導(dǎo)致電池?cái)嗦坊騼?nèi)阻偏大焊正極耳制程過(guò)程控制點(diǎn)—16潛在問(wèn)題

使負(fù)極耳和鋼殼良好連接虛焊—導(dǎo)致電池?cái)嗦坊騼?nèi)阻偏大焊負(fù)極耳制程過(guò)程控制點(diǎn)—17潛在問(wèn)題

固定蓋帽方便焊接虛焊或炸火—虛焊會(huì)引起蓋帽脫落，影響下步操作；炸火會(huì)導(dǎo)致外觀不良點(diǎn)蓋板制程過(guò)程控制點(diǎn)—19潛在問(wèn)題

使電池殼和蓋帽無(wú)縫連接①焊接功率不穩(wěn)定—容易出現(xiàn)焊接漏點(diǎn)，引起電池漏氣或漏液②焊接時(shí)有雜物炸火—引起電池漏氣或漏液并影響電池外觀③焊接定位不良—導(dǎo)致電池焊接合格率低并影響電池外觀激光焊接制程過(guò)程控制點(diǎn)—20潛在問(wèn)題

監(jiān)測(cè)焊接效果出現(xiàn)漏檢或誤檢—影響電池的注液并出現(xiàn)蓋底板漏液測(cè)氣密性制程過(guò)程控制點(diǎn)—22潛在問(wèn)題

除去電池中的水分①溫度失控—溫度偏高會(huì)損壞電池，溫度過(guò)低會(huì)影響水分的去除，導(dǎo)致電池容量低、內(nèi)阻不穩(wěn)定、循環(huán)差及尺寸異常等問(wèn)題②抽真空時(shí)不達(dá)標(biāo)—真空度不夠會(huì)影響電池中水分的去除烘電池制程過(guò)程控制點(diǎn)—23潛在問(wèn)題

檢出短路電池漏檢或誤檢—短路或微短路的電池都會(huì)出現(xiàn)自放電大的情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在充放電時(shí)出現(xiàn)爆炸測(cè)短路制程過(guò)程控制點(diǎn)—24潛在問(wèn)題

真空狀態(tài)下定量注入電解液①注液量不準(zhǔn)—注液量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致電池漏液和鼓殼，過(guò)少會(huì)導(dǎo)致電池容量不足、內(nèi)阻偏大、平臺(tái)低及循環(huán)性差等問(wèn)題②注液時(shí)與外界隔離效果差—容易導(dǎo)致電池內(nèi)含水量增加，引起電池容量低、內(nèi)阻大、平臺(tái)低及循環(huán)性差等問(wèn)題注液制程過(guò)程控制點(diǎn)—25潛在問(wèn)題

使電解液充分滲透儲(chǔ)存時(shí)環(huán)境控制不好—容易使電池吸水，引電池各項(xiàng)性能異常儲(chǔ)存制程過(guò)程控制點(diǎn)—26潛在問(wèn)題

使電池在小電流的狀態(tài)下活化電流和時(shí)間控制不好—①電池充電不到位引起后續(xù)判斷不準(zhǔn)甚至電池鼓殼②預(yù)充前后時(shí)間控制不當(dāng)會(huì)使電池內(nèi)含水量增加，引起電池容量低、內(nèi)阻大、平臺(tái)低及循環(huán)性差等問(wèn)題預(yù)充制程過(guò)程控制點(diǎn)—27潛在問(wèn)題

檢測(cè)電池的自放電情況電壓測(cè)量不準(zhǔn)—對(duì)自放電電池檢定出錯(cuò)，易在分容過(guò)程中出現(xiàn)爆炸的異常情況測(cè)電壓制程過(guò)程控制點(diǎn)—28潛在問(wèn)題

檢測(cè)電池的容量電流和時(shí)間控制不好—①放電電流不準(zhǔn)—影響電池的分容準(zhǔn)確度，出現(xiàn)誤判現(xiàn)象②恒壓電壓不準(zhǔn)a、電壓偏高會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)充，影響電池性能和分容準(zhǔn)確度，極端時(shí)可能出現(xiàn)爆炸b、電壓偏低會(huì)導(dǎo)致電池充電不足，影響電池分容的準(zhǔn)確度分容制程過(guò)程控制點(diǎn)—29潛在問(wèn)題

檢測(cè)電池的自放電情況溫度對(duì)儲(chǔ)存結(jié)果有影響儲(chǔ)存制程過(guò)程控制點(diǎn)—30潛在問(wèn)題

清理電池表面①拋光不良—影響電池的外觀②定點(diǎn)拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)—電池過(guò)熱影響電池的各項(xiàng)性能拋光制程過(guò)程控制點(diǎn)—31潛在問(wèn)題