膠帶在鋰離子聚合物電池外部的應(yīng)用

李雅男，張 晶

（1.天津力神電池股份有限公司，天津300384；2.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300131）

膠帶在鋰離子聚合物電池外部的應(yīng)用

李雅男1，張 晶2*

（1.天津力神電池股份有限公司，天津300384；2.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300131）

膠帶是生活中常見的材料也是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要材料，應(yīng)用十分廣泛。討論了丙烯酸壓敏膠帶的絕緣和固定作用在鋰離子聚合物電池外部的應(yīng)用。針對(duì)應(yīng)用中易出現(xiàn)的膠帶翹起問題，分析了產(chǎn)生翹起的原因，介紹了適合的抗翹起產(chǎn)品。同時(shí)對(duì)比了聚酰亞胺、聚酯、聚丙烯作為膠帶基材在耐溫、耐電壓上的性能，總結(jié)了這三種材料作為膠帶在電池上的使用現(xiàn)狀及成本，展望了膠帶在鋰電池外部應(yīng)用的未來市場(chǎng)及研發(fā)方向。

鋰離子聚合物電池；聚酰亞胺PI膠帶；聚酯PET膠帶；聚丙烯PP膠帶；雙面膠帶；內(nèi)聚力

前言

隨著市場(chǎng)信息化電子化時(shí)代的到來，小型化移動(dòng)電子設(shè)備終端逐漸在人們生活中隨處可尋并且變得不可缺少。鋰離子電池以其輕巧的外形、相對(duì)其他類型電池較高的電壓、長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命以及無記憶等優(yōu)良性能，為電子設(shè)備提供持久的電力，人們使用的更方便，更長(zhǎng)久。筆記本等移動(dòng)終端里目前最常用的是鋰離子聚合物電池。與此同時(shí)，膠帶被大量應(yīng)用于鋰離子聚合物電池外部，起到絕緣和固定的作用。

1 起絕緣作用的膠帶應(yīng)用

為防止鋰離子聚合物電池過充和過放，需要焊接電路板保護(hù)。為避免保護(hù)板及上面器件鋒利的邊角挫傷電池及確保電池在放入電子設(shè)備中不發(fā)生漏電現(xiàn)象，保證消費(fèi)者使用電子產(chǎn)品的安全性，需要將電池除去對(duì)外連接的正、負(fù)極耳部分之外的電池邊緣、保護(hù)板周圍都要包裹上絕緣膠帶。

以在手機(jī)中使用的鋰離子聚合物電池為例，為其做絕緣包裹需要很多種膠帶，如圖1所示。按照貼裝的位置分類：有側(cè)邊膠帶、底部膠帶、PCM保護(hù)膠帶、負(fù)極保護(hù)膠帶、凹槽膠帶和雙面膠帶。

圖1 電池外部包裹膠帶示意圖Fig.1 Insulation tape outside of battery illustration

圖1中除雙面膠帶外，其他膠帶都起絕緣作用。這些外部用膠帶在貼好后放置一定時(shí)間后很容易發(fā)生開膠，尤其是側(cè)邊膠帶問題最為突出。因此抗翹起性能是電池外部用膠帶的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。這與膠帶的基材、膠水的選擇有關(guān)。膠帶包裹的方式常用的有U型（180°彎折見圖2）和L型（90°彎折見圖3）兩種。

圖2 電池側(cè)邊U型包裹示意圖Fig.2 Side insulation tape U type illustration

圖3 電池側(cè)邊L型包裹示意圖Fig.3 Side insulation tape L type illustration

側(cè)邊膠帶由于用在L型包裹時(shí)受電池厚度限制，包裹膠帶的粘貼寬度不能太寬，整體膠帶寬度為8～10mm；膠帶在U型包裹時(shí)受電池切邊寬度的限制，最窄達(dá)到了3 mm，使膠帶在U型包裹兩側(cè)時(shí)只有不到1.5mm的接觸面積，這時(shí)膠帶更容易出現(xiàn)開膠的現(xiàn)象。以3mm側(cè)邊為例，使用相同聚酰亞胺材質(zhì)的膠帶，取粘結(jié)力分別為6N/25mm、8N/25mm、10N/25mm的樣品各40片，每種都貼在20支同一款聚合物電池的左右兩個(gè)側(cè)邊上，進(jìn)行高溫高濕實(shí)驗(yàn)，條件為溫度50℃，濕度90%，72h后取出，發(fā)現(xiàn)每種粘結(jié)力都發(fā)生開膠，因此得出結(jié)論只提高粘結(jié)力無法改善開膠問題。后經(jīng)過調(diào)整膠帶的內(nèi)聚力，重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，粘結(jié)力在6N/25mm和8N/25mm時(shí)沒有出現(xiàn)開膠。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)側(cè)邊寬度越窄，則使內(nèi)聚力對(duì)抗翹起性能的影響越突出，建議側(cè)邊膠帶展平寬度不要小于4mm。分析原因，膠帶的黏性有三個(gè)重要參數(shù)：初粘力、粘結(jié)力、內(nèi)聚力，三者呈三角形關(guān)系。一般電池外部膠帶開膠，僅增加膠帶的粘結(jié)力會(huì)造成內(nèi)聚力和初粘力的降低。見圖4。只有三個(gè)性能彼此達(dá)到最佳平衡點(diǎn)，才能保證膠帶性能的最優(yōu)化。

圖4 膠帶粘結(jié)力、內(nèi)聚力、初粘力關(guān)系圖Fig.4 The diagram of bond force,cohesive force and initial adhesion force

目前已經(jīng)找到性能滿足使用要求可靠的膠帶。以聚酰亞胺膠帶為例，厚度0.05mm的3M98C-12、AveryMZS815；厚度0.03mm的3MBI-02、NittoAS020-PI12NMAS020PIB12NM（啞黑）、Tesa66330等膠帶可以應(yīng)用在4mm以上寬度的U型包裹上。

2 起固定作用的膠帶應(yīng)用

在電池上固定電子元?dú)饧鏟TC、TCO、PCM，需要使用雙面膠帶。如圖1中的雙面膠帶用于固定電池上的PCM。將電池固定在電子設(shè)備中的指定位置，一般也是使用雙面膠帶。如圖3電池表面貼有離型紙的雙面膠帶，將離型紙揭掉就可以在需要的位置粘貼固定電池。有時(shí)粘貼面積小也容易發(fā)生開膠，目前NittoAS-57在厚度要求嚴(yán)格，并且較小接觸面積如寬度3mm左右粘接上有比較出色的表現(xiàn)，且性價(jià)比較高。

圖5 可移除膠帶示意圖Fig.5 Removable adhesion illustration

用雙面膠帶固定后，有時(shí)考慮到電池更換，膠帶還要有方便的可移除功能。Tesa、3M、Nitto均有相應(yīng)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)這一功能。這款膠帶貼在電池表面后隨電池一起被貼在手機(jī)中同時(shí)外露一個(gè)手柄，當(dāng)電池需要更換時(shí)，抓住手柄向外平行一拉，膠帶就自動(dòng)與電池和電池倉(cāng)表面脫離，沒有任何殘膠出現(xiàn)，電池安全地被取出。被貼表面很干凈，不需要清除殘膠，輕松更換新的電池，減少了因殘膠難以清除造成的殼體、電池等器件的報(bào)廢，并且節(jié)約了人工成本、操作時(shí)間，直接產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，非常實(shí)用。

3 市場(chǎng)分析

隨著消費(fèi)類電子市場(chǎng)趨于穩(wěn)定，2016年全球智能終端設(shè)備出貨量有望達(dá)到24億臺(tái)，較2015年增長(zhǎng)1%～2%。為了爭(zhēng)取更多的市場(chǎng)，各大廠家開始控制成本，原料成本會(huì)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。從表1中0.025厚度薄膜PI（聚酰亞胺）、PET（聚酯）、PP（聚丙烯）的耐溫和耐電壓對(duì)比數(shù)據(jù)看：

表1 材料溫度及耐電壓對(duì)比Table 1 Temperature and breakdown voltage

PET、PP膠帶可以滿足鋰離子聚合物電池外部膠帶的使用要求。從價(jià)格上看，PI＞PET＞PP。PP、PET的價(jià)格較PI膠帶低廉50%以上。在柔韌性方面，PP＞PET＞PI，PP材質(zhì)柔軟容易起皺，但不容易翹起，用料普通，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有替代PI的新型PET材料，顏色有銀色、啞黑色等并且涂布了抗翹起膠水，其品質(zhì)和價(jià)格逐步被各大客戶認(rèn)可并采用。也有的客戶放棄使用膠帶，而轉(zhuǎn)用膠水的案例。根據(jù)力神電池2013～2015年消費(fèi)類電池外部膠帶用量的數(shù)據(jù)分析：

表2 2013～2015年外部膠帶用量Table 2 Outside tape consumption in 2013～2015

2013年P(guān)ET、PP膠帶用量占膠帶總用量的10%，2014年P(guān)I膠帶隨消費(fèi)類電子產(chǎn)品用電池改用膠水的影響用量減少，但PET、PP膠帶用量仍占膠帶總用量的12%，2015年P(guān)ET、PP膠帶的用量占到了30%。綜上所述2015年之前市場(chǎng)上聚合物鋰電池外部多使用以聚酰亞胺為基材的膠帶。今后，PI膠帶在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中用量會(huì)慢慢減少，PP膠帶相對(duì)PI、PET材質(zhì)性價(jià)比高，相信未來PET、PP膠帶用量會(huì)因替換PI而逐漸增大，PI膠帶的用量會(huì)保持穩(wěn)定或者逐步下降。

4 結(jié)束語

鋰離子電池的廣泛應(yīng)用帶動(dòng)了電池膠帶的大量使用，隨著電池壽命完結(jié)，廢品回收再利用是我們終將面臨的課題。目前，膠帶的基材多是將膠水涂布在不同基材的塑料上，回收塑料需要先脫膠，這樣回收的成本相對(duì)較高，增加了循環(huán)再利用的難度。如果膠水可以在常溫25℃下粘住金屬、塑料等被貼物，不需要高溫加熱，使其快速干燥，并且同時(shí)擁有500V以上的耐電絕緣性能，這樣的膠水被灌封在筆一樣大小的容器中，按照使用的要求，更換不同的擠出噴頭，輕便的刷在需要粘結(jié)的面積上或者需要絕緣的地方。避免了使用需要循環(huán)回收的塑料，環(huán)保經(jīng)濟(jì)同時(shí)節(jié)約更多資源，可以成為未來的研發(fā)方向。相信隨著科技的進(jìn)步，新技術(shù)新工藝的不斷涌現(xiàn)，會(huì)使膠帶的應(yīng)用變得更簡(jiǎn)單，更方便。

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Application of Tape on the Outside of Polymer Lithium-ion Battery

LI Ya-nan1and ZHANG Jing2
（1.Tianjin LiShen Battery Joint-stock Co.Ltd.,Tianjin 300131,China;2.Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity,Tianjin 300131, China）

Adhesive tape is a common material in daily life and also an important material in modern industrial production,it is used in many fields.The application of insulation and bonding of acrylic pressure-sensitive adhesive tape which used on the outside of polymer lithium-ion battery was discussed.Against the unwrap frequent occurrence in application,the cause has been found,anti flagging products has been introduced.At the same time,polyimide,polyester,polypropylene as the tape raw material have been contrasted the performance on the heat resistance and voltage resistance.The status and cost of three materials as tape used on the outside battery have been illustrated.The application and research direction in the future of the tape used on the battery were predicted.

Polymer lithium-ion battery;PI tape;PET tape;PP tape;double side adhesive tape;cohesive force

TQ436.3

A

1001-0017（2016）06-0455-03

2016-06-20 *基金項(xiàng)目：

李雅男（1981-），女，天津人，助理工程師，天津力神電池股份有限公司資源開發(fā)主任工程師，研究方向?yàn)殡姵赜媚z帶。

*通訊聯(lián)系人：張晶（1981-），女，天津人，天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)椴牧稀-mail:liyn@lishsen.com.cn.