锂离子电池生产工艺

0 目录1．设计的目的与任务 . 11.1 课程设计背景 11.2 课程设计目的与任务 12．设计的详细内容 . 22.1 原材料及设备的选取 22.2 电池的工作原理 32.3 电池的制备工艺设计 32.3.1 制片车间的工艺设计 32.3.2 装配车间的工艺设计 62.3.3 化成车间工艺设计 72.3.4 包装车间工艺设计 92.4 厂房设计 93．经济效益 . . 104．对本设计的评述 . . 11参考文献 . 121 1．设计的目的与任务1.1 课程设计背景自从 1990年 SONY采用可以嵌锂的钴酸锂做正极材料以来 , 锂离子电池满足了非核能能源开发的需要 , 同时具有工作电压高、比能量大、自放电小、循环寿命长、重量轻、无记忆效应、环境污染少等特点 , 现成为世界各国电源材料研究开发的重点 [1~3] 。锂离子电池已广泛应用于移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等的电源 , 并在电动汽车技术、 大型发电厂的储能电池、 UPS电源、 医疗仪器电源以及宇宙空间等领域具有重要作用 [4~5] 。正极材料作为决定锂离子电池性能的重要因素之一 , 研究和开发更高性能的正极材料是目前提高和发展锂电池的有效途径和关键所在。目前 , 已商品化的锂电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等 , 而层状钴酸锂正极材料凭借其电压高、放电平稳、生产工艺简单等优点占据着市场的主要地位 , 也是目前唯一大量用于生产锂离子电池的正极材料 [6~8] 。18650电池是指外壳使用 65mm高，直径为 18mm的圆柱形钢壳为外壳的锂离子电池。 自从上个世纪 90年代索尼推出之后， 这种型号的电池一直在生产， 经久不衰。经过近 20年的发展，目前制备工艺已经非常成熟，性能有了极大的提升，体积能量密度已经提高了将近 4倍，而且成本在所有锂离子电池中也是最低，目前早已走出了原来的笔记本电脑的使用领域，作为首选电池应用于动力及储能领域。1.2 课程设计目的与任务如前文所述，在目前商业化的锂离子电池中，很多厂家都选用层状结构的LiCoO2作为正极材料。其理论容量为 274mAh/g，实际容量为 140mAh/g左右，也有报道实际容量已达 155mAh/g。本设计拟通过以 LiCoO2作为正极材料的 18650锂电池电芯器件作为模型，从原料选择、设计原理、制备工艺、封装条件、工作情况等方面进行系统调研， 并设计出相应的电池器件。 设计者将通过查阅资料、 课题讨论、技术交流等方式，逐渐设计出合理、科学的 18650锂电池电芯，培养初步的科研思维和科研能力； 通过这一综合训练， 使我对实际的新能源产品有初步的、2 宏观的认识和理解， 为即将开展的毕业设计乃至实际生产工艺设计奠定必要的基础。此次设计包括如下任务：（ 1） 18650 锂电池电芯制备原料的选取：将列出所选原料的种类、选择依据以及主要原料的使用技术要求；（ 2）阐明 18650 锂电池电芯的工作原理（ 3） 对 18650 锂电池电芯的制备工艺进行设计： 包括电池各部件的详细制备流程 （画出流程简图） ； 制备方法及所用到的设备； 画出必要的设备装置示意图；制备过程中主要的工艺参数及其选择依据；电池工作环境要求并阐明依据。（ 4）对 18650 锂电池电芯生产厂进行设计，并评估其产能和经济效益。包括：车间设备布置和工厂总平面布置，成本利润概算，投资评估。2．设计的详细内容本次设计的产品圆柱形 18650 锂电池电芯如图 2-1 所示。 我们是按原材料及设备的选取→生产车间工艺设计→厂房设计→综合评估的顺序来进行设计的。 其中， 生产车间工艺的设计为本次设计的重中之重， 如下图 2-2 所示。 其余部分的设计如原材料、仪器设备、厂房等将在后续内容中展开以及附图中体现。图 2-1 圆柱形 18650 锂电池电芯 图 2-2 圆柱形 18650 锂电池电芯生产流程2.1 原材料及设备的选取本设计选用的主要原料为 LiCoO2 、石墨、乙炔黑、导电石墨、 PVDF、 NMP、MCMB、隔膜、电解液、铝箔、铜箔、极耳、钢壳、 PVC等。主要仪器设备有真空混料机、间隙涂布机、碾压机、极片连轧生产线、全自动分切机、全自动极耳焊3 接贴胶机、半自动卷绕机、全自动注液机、滚槽机、封口机、全自动清洗机、化成设备、全自动喷码机、分容柜等。2.2 电池的工作原理18650 锂离子电池主要包括正极、负极和电解质，它利用锂离子在正极和负极之间形成嵌入化合物的锂状态和电位的不同，通过电子的得失来实现充电和放电过程。 充电时， Li +从正极脱嵌经过电解质嵌入负极石墨， 而放电时， Li + 从石墨脱嵌，经过电解质嵌入正极，如图 2-3 所示。反应式如下：正极反应： LiCoO2? Li 1-x CoO2 + xLi + + xe -负极反应： 6C + xLi + + xe - ? Li xC6电池总反应： LiCoO2 + 6C ? Li 1-x CoO2 + Li xC6 在正极材料 LiCoO2 中，锂基本是以离子状态存在，而在负极石墨中，锂基本上以原子状态存在， 因此在锂离子和锂原子之间存在较高的电位差。 同时， 锂在正极材料中， 由于锂离子是嵌入到晶格中， 因此离子性更强， 从而表现出较高的输出电压。图 2-3 工作原理示意图2.3 电池的制备工艺设计2.3.1 制片车间的工艺设计制片车间的工艺流程为： 正、 负极配料→正、 负极涂布→正、 负极对辊→正、负极分切→正负极烘烤。 这是制作电池的第一个大环节， 每道工序都很重要， 操4 作不当， 会直接影响产品的性能， 增加残次品的比率。 为了企业的经济效益， 所以对质量要严格把控，现将工艺重点叙述如下：(1) 确定电池的额定容量及用料量设额定容量为 2300mAh，正极加料比按钴酸锂 : 导电剂 : 粘结剂 : 制胶溶剂 =100:0.77:1.35:34 的比例配制。 负极加料比按石墨粉 : 导电剂 :SBR:CMC:制胶溶剂 =100:2.1:4.2:1.7:92 的比例配制。正、负极的配料仪器如图 2-5所示。图 2-5 左、右分别为正、负极拌料仪器（ 2）正负极粉体过筛正负极粉体过筛是为了除去正负极材料中的金属杂质，主要为铁。正极工艺： a、筛网目数，粉体 150 目、 super-p 100 目 b、筛网外观：筛网无破损， 网目无干料及杂质堵塞等现象。 c、 真空输送管无堵塞、 通气不顺，罐体清洁无污物、杂质。负极工艺： a、筛网目数，粉体 150 目、导电剂 50 目 b、筛网外观：筛网无破损，网目无干料及杂质堵塞等现象。 c、真空输送管无堵塞、通气不顺，罐体清洁无污物、杂质。（ 3）涂布工序涂布机、碾压机如图 2-6 、图 2-7 所示。涂布工艺要求箔材外观表面、切面平整，色泽均一，无明显亮线、明显凹凸点、暗痕条纹等，边缘无明显翘边和褶皱，无掉粉，管芯无生锈。箔材按表 1 的要求进行选取，涂布厚度按表 2 进行设置操作。箔材要求 箔材厚度 箔材面密度 箔材宽度铜箔 10± 2um 8.75 ± 0.4mg/c ㎡610± 2mm5 铝箔 16± 2um 4.32 ± 0.4mg/c ㎡600± 2mm表 1 敷料要求 A面 B面正极敷料量 25.16 ± 0.5mg/c ㎡ 21.16 ± 0.48mg/c ㎡负极敷料量 10.9 4± 0.18mg/c ㎡ 11.04 ± 0.18mg/c ㎡表 2 图 2-6 涂布机 图 2-7 碾压机(4) 分切工序由于 18650 电池的直径为 18 毫米，电池芯的直径应控制在 17.5-18 毫米之间，因此，极片不能过长，否则卷成的电芯无法放入筒体中，极片过短会使电芯无法填满电池筒体，造成安全隐患。铿离子 18650 电池与镍氢电池不同，它的盖体时一个复合件，既有能在内压过高和过充时自动打开的安全阀，还有一个降低或终止充电的温度系数电阻元件 (CPTC)。因此，设计极片宽度时预留 10-15 毫米的空间，按以下工艺执行。小片宽度：正极： 56± 0.1mm 负极： 58± 0.1mm毛刺： ≤ 12um 极片弧形度：负极： 679mm长（一片）弧高≤ 0.68mm 正极： 660mm长（一片）弧高≤ 0.66mm 6 图 2-82.3.2 装配车间的工艺设计装配车间的工艺流程为： 卷绕→入壳→滚槽→极组烘烤→注液→激光焊→封口。现将卷绕工艺设计如下：卷绕就是用隔膜把正负极极片隔开， 卷裹在一起， 为入壳做准备。 在卷绕前，应对极片裁切进行正、负极片毛刺检测，毛刺应小于等于 12um；正、负极耳焊接拉力均大于等于 15N；烫孔无变形；隔膜平整、无褶皱破损、依附芯孔壁、无反弹堵孔。卷绕时应注意对齐度：从卷芯边缘方向，负极完全包住正极，尺寸要求应为 1± 0.7mm；宽度方向隔膜完全包住负极，尺寸要求应为 1± 0.5mm。全自动卷绕机如图 2-9 所示，卷好的成品如 2-10 所示，应无损伤毛刺等不良。其它工序仪器部分展示 : 图 2-9 全自动卷绕机 图 2-10 卷好的电芯图 2-11 全自动注液机7 图 2-12 入壳 图 2-13 滚槽图 2-14 烘烤图 2-15 封口2.3.3 化成车间工艺设计化成车间工序众多，主要是检测产品性能，分出等级。例如组装后的电池，被给予一定的电流， 使得电池正负极活性物质被激发， 最后使电池具有放电能力，这是化成工序的作用。 又如电池经过一定时间的储存后， 允许电池的容量及内阻将有一定程度的变化， 经过了一段时间的储存， 可以让内部各成分的电化学性能稳定下来， 可以了解该电池的自放电性能的大小， 以便保证电池的品质， 这就是老化工序的作用；化成车间工序虽然众多（具体工序参照图 2-2 ） ，但电池的性能基本上已经由前面的工序决定， 所以分出等级显得尤为重要。 现重点介绍分容工序的设计。电池在制造过程中， 因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致， 通过一定的充放电制度检测， 并将电池按容量分类的过程称为分容， 分容柜如图 2-16所示。一般情况下， Li-ion 电池充满电后开路电压为 4.1 — 4.2V 左右，放电后开路电压为 3.0V 左右。通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。通过测定产品的电阻和电压的测定，对产品进行归档，按表 3 进行操作。8 图 2-16 分容仪器1 2 3 4 电压（ V） 4.1-4 ． 2 4.1-4.2 低于 3.6 电阻 (? ) 30-35 35-40 高于 200 是否合格 合格 合格 不合格 不合格表 3本车间其它仪器部分展示：图 2-17 全自动清洗机图 2-18 干燥 图 2-19 涂防锈油9 图 2-20 全检外观 图 2-21 喷码2.3.4 包装车间工艺设计包装车间的工序有：外观全检 → 喷等级码 → 等级扫描检验 → 包箱 → 入库。本车间的工序相对简单， 只需再次从外观上以及等级扫描对前面分容工序分容进行核对，分类装箱入库。图 2-22 喷等级码 图 2-23 等级扫描检验图 2-24 包箱 图 2-25 入库2.4 厂房设计沿海地区经济发达，产业集中，技术成熟，需求量大。但是由于厂家众1 A10 多，竞争压力也大。而成都近几年经济快速发展，锂电行业才刚刚起步，场地价格也较沿海低，若将厂址选建在成都，用心经营，必将趁势凸起。评估本次设计需要 3 条生产线， 一条生产线需要一栋 5 层的厂房 （带电梯） ，故本次设计需要三栋有 5 层楼的厂房（带电梯，方便运输物料） 。厂房内车间配制情况： 制片车间和来料储存间占一楼， 装配车间占二楼， 化成车间占三楼和四楼的一部分， 包装车间占四楼剩下的一部分， 五楼为成品储存间和大会议室。 另外，每层楼配办公室。车间分布以及仪器摆放详情详见厂房车间分布简图。3．经济效益目前做锂电的厂家盈利的主要目标市场为手机 / 笔记本电源，而新建的公司没有技术经验、 没有管理经验， 所以拟定在建厂的前几年与有先进技术经验的厂家进行合作， 贴牌生产， 等到办公司的经验丰富之后再自立品牌。 预计投资收益见下表：序号 项目名称 数据和指标一 主要指标1 总建筑面积 100.00 亩2 总投资金额 1622.82 万美元其中：建筑工程 755,24 万美元设备及安装费用 466.43 万美元土地费用 158.73 万美元二 主要数据1 年均销售收入 2594.40 万美元2 年均净利润 455.12 万美元3 年销售税金及附加 24.07 万美元4 年均增值税 218.80 万美元5 年均所得税 251.71 万美元11 4．对本设计的评述在本次课程设计中，我暴露出了两大缺点。第一，时间安排不当，其实老师早就把任务布置下来了， 但是我却迟迟不动笔， 总觉得时间还早， 当时间临近时发现自己什么都还没弄， 搞得自己手慢搅乱， 其实这个状态肯定是做不好的。 第二，文字编辑能力实在糟糕，办公软件应用能力差，这些都导致我事倍功半。鉴于者两大缺点给我的痛苦记忆，我只好加油改掉它们了。尽管有很多不足， 但是收获也很多。 课程设计是我们学习本专业课程后进行的一个十分重要的实践性环节。 在课程设计中， 我需要查阅各种书籍文献， 让我回顾了本专业方向所学的专业理论知识， 培养了我综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工艺设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、 工作方法以及计算和编写设计文件的能力。 通过这一综合训练， 我对锂电行业有了更深刻的认识， 从原材料制备到成品销售， 我都有了了解， 并能部分叙述出来。锂离子电池有很多种，从外形分，从正、负极材料分，从电解液分，都可以分出不同类型。 通过这次的训练， 我对这些不同类型的锂离子电池产品都有了宏观的认识和理解，这将为我工作后的实际生产工艺设计奠定必要的基础。12 参考文献[1] 任旭梅 ,吴川 ,何国荣 ,等 .锂离子电池正负极材料研究进展 [J].化学研究与应用 , 2000,12( 4):360- 364 [2] 庄全超 ,武山 ,刘文元 ,等 .锂离子电池材料研究进展 [J].电池 ,2003,33( 2):116- 118 [3] 周恒辉 ,慈云祥 ,刘昌炎 .锂离子电池电极材料研究进展 [J].化学进展 , 1998, 10( 1) : 85- 93 [4] 杨书廷 ,张焰峰 ,刘立君 ,等 .锂离子电池正负极材料研究进展 [J].河南师范大学学报 (自然科学版 ) , 2000, 28( 4) : 53- 59 [5] 张卫民 , 杨永会 , 孙思修 ,等 .二次锂离子电池正极活性材料 LiCoO2 制备研究进展 [J].无机化学学报 , 2000,16 ( 6 ) :873- 877 [6] 蒋学先 , 贾喜君 , 何贵香 .湿化学方法合成 LiCoO2 的研究进展 [J] 湖南有色金属 , 2007, 23( 5) : 34- 36 [7] 张凤敏 , 李宁 , 黎德育 , 等 . 锂离子电池正极材料研究现状 [J].电池 , 2003, 33( 6) : 392- 394 [8] 安平 , 其鲁 .锂离子二次电池的应用和发展 [J].北京大学学报 ( 自然科学版 ) , 2006, 42( 增刊 ) : 2- 7