鋰電池的原理及生產工藝流程

時間 2021-10-15 00:13:49

1樓:kzt凱智通微電子

鋰離子電池是使用鋰合金金屬氧化物作為正極材料、使用石墨作為負極材料,使用非水電解質的電池。鋰離子電池的主要材料包含了正極、負極、電解液和隔膜。鋰離子電池儲存鋰的主體就是負極材料,對鋰離子電池的充放電效率、迴圈壽命、比能量等都起著決定性作用。

3c鋰電池的工藝流程可分為正極拉漿、負極拉漿、正極片、負極片、鋼殼裝配、注液、檢測、包裝等。製作工藝分為四道程式,一是極片製作,二是電芯組裝,三是電芯啟用檢測,四是電池封裝。

鋰電池原理:利用li+離子當作電池正負極間離子遷移載體的電池就是鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰,而是以鋰摻雜金屬的氧化物作為電極,並且是可以二次充放電的,其充電放電都是以鋰離子的傳遞來完成。

為了提高3c鋰電池的測試效率,可以用大電流彈片微針模組作為連線模組,一是能通過較大電流,在1-50a的範圍內電流傳輸都很穩定,具有很好地連線功能;二是在小pitch中可適應的pitch值最小能達到0.15mm,有著可靠的解決方案;三是擁有平均高達20w次的使用壽命,可應對高頻率測試。

2樓:笨笨的笨丫頭

一、鋰離子電池原理

1.0 正極構造

licoo2(鈷酸鋰)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(pvdf)+集流體(鋁箔)正極

2.0 負極構造

石墨+導電劑(乙炔黑)+增稠劑(cmc)+粘結劑(sbr)+ 集流體(銅箔)負極

電芯的構造

電芯的正極是licoo2加導電劑和粘合劑,塗在鋁箔上形成正極板,負極是層狀石墨加導電劑及粘合劑塗在銅箔基帶上,目前比較先進的負極層狀石墨顆粒已採用奈米碳。

根據上述的反應機理,正極採用licoo2、linio2、limn2o2,其中licoo2本是一種層結構很穩定的晶型,但當從licoo2拿走xli後,其結構可能發生變化,但是否發生變化取決於x的大小。通過研究發現當x>0.5時li1-xcoo2的結構表現為極其不穩定,會發生晶型癱塌,其外部表現為電芯的壓倒終結。

所以電芯在使用過程中應通過限制充電電壓來控制li1-xcoo2中的x值,一般充電電壓不大於4.2v那麼x小於0.5 ,這時li1-xcoo2的晶型仍是穩定的。

負極c6其本身有自己的特點,當第一次化成後,正極licoo2中的li被充到負極c6中,當放電時li回到正極licoo2中,但化成之後必須有一部分li留在負極c6中,心以保證下次充放電li的正常嵌入,否則電芯的壓倒很短,為了保證有一部分li留在負極c6中,一般通過限制放電下限電壓來實現。所以鋰電芯的安全充電上限電壓≤4 .2v,放電下限電壓≥2.

5v。3.0工作原理

鋰電池內部成螺旋型結構,正極與負極之間由一層具有許多細微小孔的薄膜紙隔開。鋰離子電芯是一種新型的電池能源,它不含金屬鋰,在充放電過程中,只有鋰離子在正負極間往來運動,電極和電解質不參與反應。鋰離子電芯的能量容量密度可以達到300wh/l,重量容量密度可以達到125wh/l。

鋰離子電芯的反應機理是隨著充放電的進行,鋰離子在正負極之間嵌入脫出,往返穿梭電芯內部而沒有金屬鋰的存在,因此鋰離子電芯更加安全穩定。鋰離子電池的正極採用鈷酸鋰,正極集流體是鋁箔;負極採用碳,負極集流體是銅箔,鋰離子電池的電解液是溶解了lipf6的有機體。

鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰,負極是碳。當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生茶鞥的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈現層狀結構,它有很多微孔,到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。

同樣道理,黨對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,有運動回到正極。回到正極的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

鋰離子電池蓋帽上有防爆孔,在內部壓力過大的情況下,防爆孔會自動開啟洩壓,以防止出現**的現象。

鋰離子電池的效能

1、高能量密度

與同等容量的ni/cd或ni/mh電池相比,鋰離子電池的重量輕,其體積比能量是這兩類電池的1.5~2倍。

2、高電壓

鋰離子電池使用高電負性的含元素鋰電極,使其端電壓高達3.7v,這一電壓是ni/cd或ni/mh電池電壓的3倍。

3、無汙染,環保型

4、迴圈壽命長

壽命超過500次

5、高負載能力

鋰離子電池可以大電流連續放電,從而使這種電池可被應用於攝象機、手提電腦等大功率用電器上。

6、優良的安全性

由於使用優良的負極材料,克服了電池充電過程中鋰枝晶的生長問題,使得鋰離子電池的安全性大大提高。同時採用特殊的可恢復配件,保證了電池在使用過程中的安全性。

※在生產加工中如何保證設計好的c/a比成了生產加工中的關鍵。所以在生產中應就以下幾個方面進行控制:

1.負極材料的處理

1)將大粒徑及超細粉與所要求的粒徑進行徹底分離,避免了區域性電化學反應過度激烈而產生負反應的情況,提高了電芯的安全性。

2)提高材料表面孔隙率,這樣可以提高10%以上的容量,同時在c/a 比不變的情況下,安全性大大提高。處理的結果使負極材料表面與電解液有了更好的相容性,促進了sei膜的形成及穩定上。

2.製漿工藝的控制

1)製漿過程採用先進的工藝方法及特殊的化學試劑,使正負極漿料各組之間的表面張力降到了最低。提高了各組之間的相容性,阻止了材料在攪拌過程「團聚」的現象。

2)塗佈時基材料與噴頭的間隙應控制在0.2mm以下,這樣塗出的極板表面光滑無顆粒、凹陷、劃痕等缺陷。

3)漿料應儲存6小時以上,漿料粘度保持穩定,漿料內部無自聚成團現象。均勻的漿料保證了正負極在基材上分布的均勻性,從而提高了電芯的一致性、安全性。

3.採用先進的極片製造裝置

1)可以保證極片質量的穩定和一致性,大大提高電芯極片均一性,降低了不安全電芯的出現機率。

2)塗佈機單片極板上面密度誤差值應小於±2%,極板長度及間隙尺寸誤差應小於2mm。

3)輥壓機的輥軸錐度和徑向跳動應不大於4μm,這樣才能保證極板厚度的一致性。裝置應配有完善的吸塵系統,避免因浮塵顆粒而導致的電芯內部微短路,從而保證了電芯的自放電效能。

4)分切機應採用切刀為輥刀型的連續分切裝置,這樣切出的極片不存在荷葉邊,毛刺等缺陷。同樣裝置應配有完善的吸塵系統,從而保證了電芯的自放電效能。

4.先進的封**術

目前國內外方形鋰離子電芯的封口均採用雷射(laser)熔接封**術,它是利用yag棒(釔鋁石榴石)雷射諧振腔中受強光源(一般為氮燈)的激勵下發出一束單一頻率的光(λ=1.06mm)經過諧振折射聚焦成一束,再把聚焦的焦點對準電芯的筒體和蓋板之間,使其熔化後親合為一體,以達到蓋板與筒體的密封熔合的目的。為了達到密封焊,必須掌握以下幾個要素:

1)必須有能量大、頻率高、聚焦效能好、跟蹤精度高的雷射焊機。

2)必須有配合精度高的適用於雷射焊的電芯外殼及蓋板。

3)必須有高統一純度的氮氣保護,特別是鋁殼電芯要求氮氣純度高,否則鋁殼表面就會產生難以熔化的al2o3(其熔點為2400℃)。

3.1 充電過程

如上圖乙個電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,正鋰離子li+從正極「跳進」電解液裡,「爬過」隔膜上彎彎曲曲的小洞,「游泳」到達負極,與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為

licoo2=充電=li1-xcoo2+xli++xe(電子)

負極上發生的反應為

6c+xli++xe*****lixc6

3.2 電池放電過程

放電有恆流放電和恒阻放電,恆流放電其實是在外電路加乙個可以隨電壓變化而變化的可變電阻,恒阻放電的實質都是在電池正負極加乙個電阻讓電子通過。由此可知,只要負極上的電子不能從負極跑到正極,電池就不會放電。電子和li+都是同時行動的,方向相同但路不同,放電時,電子從負極經過電子導體跑到正極,鋰離子li+從負極「跳進」電解液裡,「爬過」隔膜上彎彎曲曲的小洞,「游泳」到達正極,與早就跑過來的電子結合在一起。

二、 工藝流程

鋰離子電池的工藝技術非常嚴格、複雜,這裡只能簡單介紹一下其中的幾個主要工序。

1、製漿:用專門的溶劑和粘結劑分別與粉末狀的正負極活性物質混合,經高速攪拌均勻後,製成漿狀的正負極物質。

2塗膜:將製成的漿料均勻地塗覆在金屬箔的表面,烘乾,分別製成正負極極片。

3、裝配:按正極片—隔膜—負極片—隔膜自上而下的順序放好,經捲繞支援呢個電池極芯,再經注入電解液、封口等工藝過程,即完成電池的裝配過程,製成成品電池。

4、化成:用專用的電池充放電裝置對成品電池進行充放電測試,對每乙隻鋰電池都進行檢測,篩選出合格的成品電池,待出廠。

3樓:晨光科力普省心購

一、發展及分類

「鋰電池」,是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負極材料、使用非水電解質溶液的電池。

鋰電池最早期應用在心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低,放電電壓平緩等優點,使得植入人體的起搏器能夠長期運作而不用重新充電。鋰電池一般有高於3.

0伏的標稱電壓,更適合作積體電路電源。二氧化錳電池,就廣泛用於計算器,數位相機、手錶中。

為了開發出效能更優異的品種,人們對各種材料進行了研究,從而製造出前所未有的產品。

2023年鋰金屬電池最早由gilbert n. lewis提出並研究。

20世紀70年代時,m. s. whittingham提出並開始研究鋰離子電池。

2023年sony成功開發鋰離子電池。它的實用化,使人們的移動**、筆記本、計算器等可攜式電子裝置的重量和體積大大減小。

由於鋰金屬的化學特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、儲存、使用,對環境要求非常高。隨著科學技術的發展,鋰電池已經成為了主流。

鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。

鋰離子電池不含有金屬態的鋰,並且是可以充電的。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在2023年誕生,其安全性、比容量、自放電率和效能**比均優於鋰離子電池。由於其自身的高技術要求限制,只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。

二、工作原理

1. 鋰金屬電池

一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。

放電反應:li+mno2=limno2

2.鋰離子電池:

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。

充電正極上發生的反應為

licoo2=li(1-x)coo2+xli++xe-(電子)

充電負極上發生的反應為

6c+xli++xe- = lixc6

充電電池總反應:licoo2+6c = li(1-x)coo2+lixc6

三、特徵

高能量密度鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半,體積是鎳鎘的20-30%,鎳氫的35-50%。

高電壓乙個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7v(平均值),相當於三個串聯的鎳鎘或鎳氫電池。

無汙染鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質。

不含金屬鋰鋰離子電池不含金屬鋰,因而不受飛機運輸關於禁止在客機攜帶鋰電池等規定的限制。

迴圈壽命高在正常條件下,鋰離子電池的充放電週期可超過500次,磷酸亞鐵鋰則可以達到2000次。

無記憶效應記憶效應是指鎳鎘電池在充放電迴圈過程中,電池的容量減少的現象。鋰離子電池不存在這種效應。

快速充電使用額定電壓為4.2v的恆流恆壓充電器,可以使鋰離子電池在1.5-2.5個小時內就充滿電;而新開發的磷鐵鋰電池,已經可以在35分鐘內充滿電。

三、優缺點分析

1.優點

(1)能量比較高。具有高儲存能量密度,已達到460-600wh/kg,是鉛酸電池的約6-7倍;

(2)使用壽命長,使用壽命可達到6年以上,磷酸亞鐵鋰為正極的電池1c(100%dod)充放電,有可以使用10,000次的記錄;

(3)額定電壓高(單體工作電壓為3.7v或3.2v),約等於3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓,便於組成電池電源組;鋰電池可以通過一種新型的鋰電池調壓器的技術,將電壓調至3.

0v,以適合小電器的使用。

(4)具備高功率承受力,其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15-30c充放電的能力,便於高強度的啟動加速;

(5)自放電率很低,這是該電池最突出的優越性之一,一般可做到1%/月以下,不到鎳氫電池的1/20;

(6)重量輕,相同體積下重量約為鉛酸產品的1/6-1/5;

(7)高低溫適應性強,可以在-20℃--60℃的環境下使用,經過工藝上的處理,可以在-45℃環境下使用;

(8)綠色環保,不論生產、使用和報廢,都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質。

(9)生產基本不消耗水,對缺水的我國來說,十分有利。

比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用wh/kg或wh/l來表示。wh是能量的單位,w是瓦、h是小時;kg是千克(重量單位),l是公升(體積單位)。

2.缺點

1.鋰原電池均存在安全性差,有發生**的危險。

2.鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電,**昂貴,安全性較差。

3.鋰離子電池均需保護線路,防止電池被過充過放電。

4.生產要求條件高,成本高。

5.使用條件有限制,高低溫使用危險大。

鋰離子電池的製作工藝,鋰電池的生產工藝流程

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