鋰離子電池的制造工藝探討

摘要：鋰離子電池在現(xiàn)代社會(huì)中運(yùn)用越來越廣泛，而其制造工藝的優(yōu)劣，則成了電池品質(zhì)和使用壽命的關(guān)鍵所在，所以，所有電池生產(chǎn)廠家，都會(huì)對(duì)其制造工藝進(jìn)行探索和改進(jìn)，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。文章將就鋰離子電池的制造工法進(jìn)行初步的探討。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；制造工藝；制造流程

中圖分類號(hào)：TM912文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2012）05-0091-02

鋰離子電池的制造工藝技術(shù)非常嚴(yán)格，在制造的過程中，會(huì)對(duì)制造工藝進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)。如在鋰離子電池極片的制造中，為了防止鋰在極片的未涂覆碳材料的銅部位析出而引起安全問題，就需要對(duì)極片進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)然，關(guān)于工藝的取舍，是多方面的綜合因素決定的。這需要技術(shù)部門對(duì)制造的流程和各個(gè)部分的技術(shù)要點(diǎn)有清晰的了解。

1鋰離子電池制造工的藝流

一般來說，鋰離子電池的制造過程，有以下這幾個(gè)主要工序如下：

制漿——用專門的溶劑和粘接劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合，經(jīng)高速攪拌均勻后，制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)；涂膜——將制成的漿料均勻地涂覆在金屬箔的表面，烘干，分別制成正、負(fù)極極片；裝配——按正極片一隔膜一負(fù)極片一隔膜自上而下的順序放好，經(jīng)卷繞制成電池芯，再經(jīng)注入電解液、封口等工藝過程，即完成電池的裝配過程，制成成品電池；化成——用專用的電池充放電設(shè)備對(duì)成品電池進(jìn)行充放電測(cè)試，對(duì)每一只電池都進(jìn)行檢測(cè)，篩選出合格的成品電池，待出廠。

2正極制造

工業(yè)上應(yīng)用的常見正極活物質(zhì)主要有LiCoO2，LiNi O2和LiMn2O4等。最早用于商品化的鋰離子電池正極是LiCoO2。但是，由于鈷材料成本較高，資源缺乏，因此，必須開發(fā)少用鈷、不用鈷或廉價(jià)易得的材料，如用鎳或錳來取代鈷，這樣電池單價(jià)可大大降低。

LiNiO2是繼LiCoO2后研究較多的層狀化合物，一般是用鋰鹽和鎳鹽混合，在700～850℃經(jīng)固態(tài)反應(yīng)制備。鎳與鈷的性質(zhì)相近，價(jià)格比鈷低廉。LiCoO2的理論比容量為274 mAh·g-l，目前LiNiO2的最大容量為150 mAh·g-1，工作電壓范圍為2.5～4.1 V，不存在過充電和過放電的限制，LiNiO2認(rèn)為它是鋰離子電池中最有前途的正極材料之一。但由于LiNiO2的制備中存在許多問題，所以LiNiO2的實(shí)際應(yīng)用還受到限制。為了改善LiNiO2的電化學(xué)性能，使其能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目前各種摻雜的LiNiO2的研究正在不斷研究和完善之中。

尖晶石型的LiM2O4中M2O4骨架是一個(gè)有利于Li+離子擴(kuò)散的四面體和八面體共面的三維網(wǎng)絡(luò)。其典型代表是LiMn2O4因?yàn)樵诩訜徇^程中易失去氧而產(chǎn)生電化學(xué)性能差的缺氧化合物，使高容量的LiMn2O4制備較復(fù)雜，現(xiàn)在常用的合成方法有多步加熱固態(tài)合成法、溶液-凝膠法、沉淀法等。

LiMn2O4同LiCoO2和LiNiO2相比，突出優(yōu)點(diǎn)是安全、成本低、無環(huán)保問題、電壓最高。對(duì)電解液的要求（抗氧化）也高。制備純Li（1+0.05）Mn2O4相當(dāng)困難，因?yàn)殄i的氧化物形態(tài)太雜，在此材料中若含有其他形態(tài)的氧化錳，電化學(xué)性能下降嚴(yán)重，因此，要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件。LiM2O4的理論容量為148 mAh·g+，Bellcore公司能達(dá)到140 mAh·g-1，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模能達(dá)到接近理論值的比容量。

如何克服容量在循環(huán)時(shí)下降的問題是目前LiMn2O4研究的焦點(diǎn)。因此，尖晶石型特別是摻雜型LiMn2O4的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系仍是今后鋰離子電池電極材料研究的方向。目前關(guān)于LiMn2O4作電池正極材料的研究工作仍在進(jìn)行之中，作為工業(yè)使用必須謹(jǐn)慎。

聚合物正極材料主要是雜環(huán)聚合物如聚砒咯（Ppy）、聚噻吩，（PTh）及其衍生物。由于聚合物電極的最大理論比能量高達(dá)300 Wh·kg-1，成本低，并可通過摻雜以滿足不同電極的需要，因此成為重要的發(fā)展方向。作為鋰離子電池用的納米正極材料已有納米結(jié)晶尖晶石LiMn2O4、鋇鎂錳礦型MnO2納米纖維、聚吡咯包覆尖晶石型LiMn2O4納米管等料，其高空隙率為鋰離子的嵌人與脫出和有機(jī)溶劑分子的遷移提供了足夠的空間。

目前，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)合成了鋇鎂錳礦型納米錳氧化物、鋇鎂錳礦與水羥錳礦型復(fù)合層狀納米錳氧化物。V2O5正極能提高工作電壓。通過添加少量過渡金屬氧化物，如Fe2O3，NiO等，在首次充放電后可改善V2O5的晶格結(jié)構(gòu)，提高可逆性，減少容量衰減。

3極片漿料涂布

無論是鋰離子電池的正極，還是負(fù)極，都涉及漿料，即活性物質(zhì)往鋁箔或銅箔上涂敷的問題，活性物質(zhì)涂敷的均勻性直接影響電池的質(zhì)量，因此，極片漿料涂布技術(shù)和設(shè)備是鋰離子電池研制和生產(chǎn)的關(guān)鍵之一。

①涂布方法的選擇。在鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室研究階段，可用刮棒、刮刀或擠壓等自制簡單的涂布實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行極片涂布，效果并不太理想，并存在各種；各樣的問題，因此只能涂布出少量供實(shí)驗(yàn)研究的樣品。一般選擇涂布方法需要從下面幾個(gè)方面考慮，包括：涂布的層數(shù)，濕涂層的厚度，涂布液的流變特性，需要的涂布精度，涂布支持體或基材，涂布的速度等。

②條縫擠壓涂布及其涂布窗口擠壓涂布技術(shù)是較為先進(jìn)的技術(shù)，可以用于較高粘度流體涂布，能獲得較高精度的涂層。采用條縫擠壓涂布，要獲得均勻的涂層，必須使擠壓嘴的設(shè)計(jì)及操作參數(shù)在一個(gè)適合的范圍內(nèi)，也就是必須在涂布技術(shù)中稱為“涂布窗口”的臨界條件范圍內(nèi)，才能進(jìn)行正常涂幣。擠壓嘴的設(shè)計(jì)對(duì)涂布精度有極其重要的影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要有涂布漿料流變特性的詳細(xì)數(shù)據(jù)。而一旦按提供的流變數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)加工出的擠壓嘴，在涂布漿料流變性質(zhì)有較大改變時(shí)，就有可能影響涂布精度，擠壓涂布設(shè)備比較復(fù)雜，運(yùn)行操作需要專門的技術(shù)。

③輥涂工藝的涂布窗口。輥涂是比較成熟的涂布工藝，如果有高精度涂布輥和精密軸承，有可能得到均勻度較好的涂層。輥涂可以應(yīng)用于極片漿料的涂布。輥涂有多種形式，按輥的轉(zhuǎn)動(dòng)方向區(qū)分可分為順轉(zhuǎn)輥和逆轉(zhuǎn)輥涂布兩種。此外還有配置3輥、4輥等多達(dá)10多種輥涂型式。究竟用哪一種輥涂型式要根據(jù)各種漿料的流變性質(zhì)進(jìn)行選擇。也就是所設(shè)計(jì)的輥涂型式、結(jié)構(gòu)尺寸、操作條件、涂液的物理性質(zhì)等各種條件必須在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，也就是操作條件進(jìn)入涂布窗口，才能涂布出性能優(yōu)良的涂層。

④極片涂布中的關(guān)鍵技術(shù)。在所有涂布產(chǎn)品中膠片所要求的涂布精度是最高的一種，因此膠片涂布中的許多技術(shù)是解決極片涂布的基礎(chǔ)。但極片涂布所特有的要求必須有特殊的技術(shù)才能解決。極片漿料粘度極高，超出一般涂布液的粘度，而且所要求的涂量大，用現(xiàn)在常規(guī)涂布方法無法進(jìn)行均勻涂布。因此，應(yīng)該依據(jù)其流動(dòng)機(jī)理，結(jié)合極片漿料的流變特性和涂布要求，選擇適當(dāng)?shù)臉O片漿料的涂布方法。鋰離子電池極片是分段涂布生產(chǎn)不同型號(hào)鋰離子電池，所需要的每段極片長度也是不同的。如果采用連續(xù)涂布，再進(jìn)行定長分切生產(chǎn)極片，在組裝電池時(shí)需要在每段極片一端刮除漿料涂層，

4結(jié)語

總而言之，在鋰離子電池的制造過程中，技術(shù)部門需要在把握整體流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)的探索和革新，從行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的發(fā)展兩個(gè)方面，去捕捉新的技術(shù)點(diǎn)，并在實(shí)際的生產(chǎn)過程中積極的運(yùn)用，保證產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

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