鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依托Li+在兩個(gè)電極之間往復(fù)嵌入和脫嵌來(lái)作業(yè)。隨著能源轎車(chē)等下游產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，鋰離子電池的出產(chǎn)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。

本專(zhuān)題分為上、下兩個(gè)部分，其間上篇要點(diǎn)重視鋰離子電池的原理、配方和工藝流程。下篇講解鋰電池的制造及其功能，本文系本專(zhuān)題上篇。

一、作業(yè)原理

1、正極結(jié)構(gòu)

LiCoO2+導(dǎo)電劑+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔）

2、負(fù)極結(jié)構(gòu)

石墨+導(dǎo)電劑+增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+集流體（銅箔）

你應(yīng)該知道的鋰離子電池原理及工藝（上）

3、作業(yè)原理

3.1充電進(jìn)程

一個(gè)電源給電池充電，此刻正極上的電子e從經(jīng)過(guò)外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔閡上彎彎曲曲的小洞，“游水”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。此刻：

正極上發(fā)生的反響為：

負(fù)極上發(fā)生的反響為：

3.2電池放電進(jìn)程

放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實(shí)是在外電路加一個(gè)能夠隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的本質(zhì)都是在電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子經(jīng)過(guò)。由此可知，只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是一起舉動(dòng)的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔閡上彎彎曲曲的小洞，“游水”到達(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

3.3充放電特性

電芯正極選用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其間LiCoO2本是一種層結(jié)構(gòu)很安穩(wěn)的晶型，但當(dāng)從LiCoO2拿走x個(gè)Li離子后，其結(jié)構(gòu)或許發(fā)生變化，可是否發(fā)生變化取決于x的大小。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)x>0.5時(shí)，Li1-xCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不安穩(wěn)，會(huì)發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒完結(jié)。所以電芯在運(yùn)用進(jìn)程中應(yīng)經(jīng)過(guò)約束充電電壓來(lái)操控Li1-xCoO2中的x值，一般充電電壓不大于4.2V那么x小于0.5，這時(shí)Li1-xCoO2的晶型仍是安穩(wěn)的。

負(fù)極C6其本身有自己的特色，當(dāng)?shù)谝淮位珊?，正極LiCoO2中的Li被充到負(fù)極C6中，當(dāng)放電時(shí)Li回到正極LiCoO2中，但化成之后有必要有一部分Li留在負(fù)極C6中心，以保證下次充放電Li的正常嵌入，不然電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負(fù)極C6中，一般經(jīng)過(guò)約束放電下限電壓來(lái)完結(jié)：安全充電上限電壓≤4.2V，放電下限電壓≥2.5V。

回憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化，在鋰電池中幾乎不會(huì)發(fā)生這種反響?？墒牵囯x子電池在多次充放后容量仍然會(huì)下降，其原因是雜亂而多樣的。主要是正負(fù)極資料本身的變化，從分子層面來(lái)看，正負(fù)極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會(huì)逐步陷落、堵塞；從化學(xué)角度來(lái)看，是正負(fù)極資料活性鈍化，呈現(xiàn)副反響生成安穩(wěn)的其他化合物。物理上還會(huì)呈現(xiàn)正極資料逐步脫落等情況，總歸終究下降了電池中能夠自由在充放電進(jìn)程中移動(dòng)的鋰離子數(shù)目。

過(guò)度充電和過(guò)度放電，將對(duì)鋰離子電池的正負(fù)極形成永久的損壞，從分子層面看，能夠直觀的理解，過(guò)度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過(guò)度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)陷落，過(guò)度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去，而使得其間一些鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。

不適合的溫度將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部其他化學(xué)反響生成咱們不期望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負(fù)極之間設(shè)有保護(hù)性的溫控隔閡或電解質(zhì)添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復(fù)合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性，電池內(nèi)阻增大直到斷路，電池不再升溫，保證電池充電溫度正常。

二、鋰電池的配方與工藝流程

1.正負(fù)極配方

1.1正極配方：LiCoO2+導(dǎo)電劑+粘合劑+集流體（鋁箔）

LiCoO2(10μm):96.0%

導(dǎo)電劑（CarbonECP）2.0%

粘合劑（PVDF761）2.0%

NMP（添加粘結(jié)性）:固體物質(zhì)的重量比約為810:1496

a)正極粘度操控6000cps（溫度25轉(zhuǎn)子3）；

b)NMP重量須恰當(dāng)調(diào)理，到達(dá)粘度要求為宜；

c)特別注意溫度、濕度對(duì)黏度的影響

正極活性物質(zhì)：

鈷酸鋰：正極活性物質(zhì)，鋰離子源，為電池進(jìn)步鋰源。非極性物質(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為6-8μm，含水量≤0.2%，一般為堿性，pH值為10-11左右。

錳酸鋰：非極性物質(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為5-7μm，含水量≤0.2%，一般為弱堿性，pH值為8左右。

導(dǎo)電劑：鏈狀物，含水量<1%，粒徑一般為1-5μm。一般運(yùn)用導(dǎo)電性優(yōu)異的超導(dǎo)碳黑，如科琴炭黑CarbonECP和ECP600JD，其作用：進(jìn)步正極資料的導(dǎo)電性，補(bǔ)償正極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性；進(jìn)步正極片的電解液的吸液量，添加反響界面，削減極化。

PVDF粘合劑：非極性物質(zhì)，鏈狀物，分子量從300,000到3,000,000不等；吸水后分子量下降，粘性變差。用于將鈷酸鋰、導(dǎo)電劑和鋁箔或鋁網(wǎng)粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。

NMP：弱極性液體，用來(lái)溶解/溶脹PVDF，一起用來(lái)稀釋漿料。

集流體（正極引線）：由鋁箔或鋁帶制成。

1.2負(fù)極配方：石墨+導(dǎo)電劑+增稠劑（CMC）+粘結(jié)劑（SBR）+集流體（銅箔）

負(fù)極資料（石墨）：94.5%

導(dǎo)電劑（CarbonECP）：1.0%(科琴超導(dǎo)碳黑)

粘結(jié)劑（SBR）：2.25%(SBR=丁苯橡膠膠乳）

增稠劑（CMC）：2.25%(CMC=羧甲基纖維素鈉）

水：固體物質(zhì)的重量比為1600:1417.5

a)負(fù)極黏度操控5000-6000cps（溫度25轉(zhuǎn)子3）

b)水重量需求恰當(dāng)調(diào)理，到達(dá)黏度要求為宜；

c)特別注意溫度濕度對(duì)黏度的影響

2、正負(fù)混料

石墨：負(fù)極活性物質(zhì)，構(gòu)成負(fù)極反響的主要物質(zhì)；主要分為天然石墨和人造石墨兩大類(lèi)。非極性物質(zhì)，易被非極性物質(zhì)污染，易在非極性物質(zhì)中渙散；不易吸水，也不易在水中渙散。被污染的石墨，在水中渙散后，容易重新聚會(huì)。一般粒徑D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規(guī)則，主要有球形、片狀、纖維狀等。

導(dǎo)電劑：其作用為：

a)進(jìn)步負(fù)極片的導(dǎo)電性，補(bǔ)償負(fù)極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性。

b)進(jìn)步反響深度及運(yùn)用率。

c)避免枝晶的發(fā)生。

d)運(yùn)用導(dǎo)電資料的吸液才能，進(jìn)步反響界面，削減極化。（可根據(jù)石墨粒度散布挑選加或不加）。

添加劑：下降不行逆反響，進(jìn)步粘附力，進(jìn)步漿料黏度，避免漿料沉積。

增稠劑/防沉積劑（CMC）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。

異丙醇：弱極性物質(zhì)，參加后可減小粘合劑溶液的極性，進(jìn)步石墨和粘合劑溶液的相容性；具有激烈的消泡作用；易催化粘合劑網(wǎng)狀交鏈，進(jìn)步粘結(jié)強(qiáng)度。

乙醇：弱極性物質(zhì)，參加后可減小粘合劑溶液的極性，進(jìn)步石墨和粘合劑溶液的相容性；具有激烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，進(jìn)步粘結(jié)強(qiáng)度（異丙醇和乙醇的作用從本質(zhì)上講是一樣的，大批量出產(chǎn)時(shí)可考慮成本要素然后挑選添加哪種）。

水性粘合劑（SBR）：將石墨、導(dǎo)電劑、添加劑和銅箔或銅網(wǎng)粘合在一起。小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。

去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，斟酌添加，改變漿料的流動(dòng)性。

負(fù)極引線：由銅箔或鎳帶制成。

2.1正極混料：

2.1.1質(zhì)料的預(yù)處理

1)鈷酸鋰：脫水。一般用120°C常壓烘烤2小時(shí)左右。

2)導(dǎo)電劑：脫水。一般用200°C常壓烘烤2小時(shí)左右。

3)粘合劑：脫水。一般用120-140°C常壓烘烤2小時(shí)左右，烘烤溫度視分子量的大小決定。

4)NMP：脫水。運(yùn)用枯燥分子篩脫水或選用特殊取料設(shè)施，直接運(yùn)用。

2.1.2物料球磨：

1)4小時(shí)完畢，過(guò)篩別離出球磨；

2)將LiCoO2和CarbonECP倒入料桶，一起參加磨球（干料：磨球=1:1），在滾瓶及上進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速操控在60rmp以上

2.1.3質(zhì)料的摻和：

1)粘合劑的溶解（按標(biāo)準(zhǔn)濃度）及熱處理。

2)鈷酸鋰和導(dǎo)電劑球磨：使粉料初步混合，鈷酸鋰和導(dǎo)電劑粘合在一起，進(jìn)步聚會(huì)作用和的導(dǎo)電性。配成漿料后不會(huì)單獨(dú)散布于粘合劑中，球磨時(shí)間一般為2小時(shí)左右；為避免混入雜質(zhì)，一般運(yùn)用瑪瑙球作為球磨介子。

2.1.4干粉的渙散、浸濕：

原理：固體粉末放置在空氣中，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)吸附部分空氣在固體的外表上，液體粘合劑參加后，液體與氣體開(kāi)端爭(zhēng)奪固體外表；假如固體與氣體吸附力比與液體的吸附力強(qiáng)，液體不能浸濕固體；假如固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強(qiáng)，液體能夠浸濕固體，將氣體擠出。

當(dāng)潮濕角≤90°，固體浸濕。當(dāng)潮濕角>90°，固體不浸濕。

正極資料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕，所以正極粉料渙散相對(duì)容易。

渙散辦法對(duì)渙散的影響：

1)靜置法（時(shí)間長(zhǎng)，作用差，但不損傷資料的原有結(jié)構(gòu)）；

2)拌和法：自轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)（時(shí)間短，作用佳，但有或許損傷個(gè)別資料的本身結(jié)構(gòu)）。

拌和槳對(duì)渙散速度的影響：拌和槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型拌和槳用來(lái)對(duì)付渙散難度大的資料或配料的初始階段；球形、齒輪形用于渙散難度較低的狀態(tài)，作用佳。

拌和速度對(duì)渙散速度的影響。一般說(shuō)來(lái)拌和速度越高，渙散速度越快，但對(duì)資料本身結(jié)構(gòu)和對(duì)設(shè)備的損傷就越大。

濃度對(duì)渙散速度的影響。一般情況下漿料濃度越小，渙散速度越快，但太稀將導(dǎo)致資料的浪費(fèi)和漿料沉積的加劇。

濃度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。濃度越大，柔制強(qiáng)度越大，粘接強(qiáng)度越大；濃度越低，粘接強(qiáng)度越小。

真空度對(duì)渙散速度的影響。高真空度有利于資料縫隙和外表的氣體排出，下降液體吸附難度；資料在徹底失重或重力減小的情況下渙散均勻的難度將大大下降。

溫度對(duì)渙散速度的影響。適宜的溫度下，漿料流動(dòng)性好、易渙散。太熱漿料容易結(jié)皮，太冷漿料的流動(dòng)性將大打折扣。

稀釋?zhuān)簩{料調(diào)整為適宜的濃度，便于涂布。

2.1.5操作步驟

a)將NMP倒入動(dòng)力混合機(jī)（100L）至80°C，稱取PVDF參加其間，開(kāi)機(jī)；參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)速25±2轉(zhuǎn)/分，拌和115-125分鐘；

b)接通冷卻系統(tǒng)，將已經(jīng)磨號(hào)的正極干料均勻分四次參加，每次距離28-32分鐘，第三次加料視資料需求添加NMP，第四次加料后參加NMP；動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：轉(zhuǎn)速為20±2轉(zhuǎn)/分

c)第四次加料30±2分鐘后進(jìn)行高速拌和，時(shí)間為480±10分鐘；動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為25±2轉(zhuǎn)/分；

d)真空混合：將動(dòng)力混合機(jī)接上真空，堅(jiān)持真空度為-0.09Mpa，拌和30±2分鐘；動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為10±2分鐘，自轉(zhuǎn)為8±2轉(zhuǎn)/分

e)取250-300毫升漿料，運(yùn)用黏度計(jì)丈量黏度；測(cè)驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)子號(hào)5，轉(zhuǎn)速12或30rpm，溫度范圍25°C；

f)將正極料從動(dòng)力混合機(jī)中取出進(jìn)行膠體磨、過(guò)篩，一起在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識(shí)，與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

2.1.6注意事項(xiàng)

a)完結(jié)，整理機(jī)器設(shè)備及作業(yè)環(huán)境；

b)操作機(jī)器時(shí)，需注意安全，避免砸傷頭部。

2.2負(fù)極混料

2.2.1質(zhì)料的預(yù)處理：

1)石墨：

A、混合，使質(zhì)料均勻化，進(jìn)步一致性。

B、300~400°C常壓烘烤，除去外表油性物質(zhì)，進(jìn)步與水性粘合劑的相容才能，修圓石墨外表棱角（有些資料為堅(jiān)持外表特性，不允許烘烤，不然效能下降）。

2)水性粘合劑：恰當(dāng)稀釋?zhuān)M(jìn)步渙散才能。

2.2.2摻和、浸濕和渙散：

1)石墨與粘合劑溶液極性不同，不易渙散。

2)可先用醇水溶液將石墨初步潮濕，再與粘合劑溶液混合。

3)應(yīng)恰當(dāng)下降拌和濃度，進(jìn)步渙散性。

4)渙散進(jìn)程為削減極性物與非極性物距離，進(jìn)步勢(shì)能或外表能，所以為吸熱反響，拌和時(shí)整體溫度有所下降。如條件允許應(yīng)該恰當(dāng)升高拌和溫度，使吸熱變得容易，一起進(jìn)步流動(dòng)性，下降渙散難度。

5)拌和進(jìn)程如參加真空脫氣進(jìn)程，排除氣體，促進(jìn)固-液吸附，作用更佳。

6)渙散原理、渙散辦法同正極配料中的相關(guān)內(nèi)容

2.2.3稀釋?zhuān)?/p>

將漿料調(diào)整為適宜的濃度，便于涂布。

2.2.4物料球磨

1)將負(fù)極和KetjenblackECP倒入料桶一起參加球磨（干料：磨球=1:1.2）在滾瓶及上進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速操控在60rmp以上；

2)4小時(shí)完畢，過(guò)篩別離出球磨；

2.2.5操作步驟

1)純凈水加熱至至80°C倒入動(dòng)力混合機(jī)（2L）

2)加CMC，拌和60±2分鐘；動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為25±2分鐘，自轉(zhuǎn)為15±2轉(zhuǎn)/分；

3)參加SBR和去離子水，拌和60±2分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2分鐘，自轉(zhuǎn)為20±2轉(zhuǎn)/分；

4)負(fù)極干料分四次均勻次序參加，加料的一起參加純凈水，每次距離28-32分鐘；動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為20±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為15±2轉(zhuǎn)/分；

5)第四次加料30±2分鐘后進(jìn)行高速拌和，時(shí)間為480±10分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為30±2轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)為25±2轉(zhuǎn)/分；

6)真空混合：將動(dòng)力混合機(jī)接上真空，堅(jiān)持真空度為-0.09到0.10Mpa，拌和30±2分鐘；

動(dòng)力混合機(jī)參數(shù)設(shè)置：公轉(zhuǎn)為10±2分鐘，自轉(zhuǎn)為8±2轉(zhuǎn)/分

7)取500毫升漿料，運(yùn)用黏度計(jì)丈量黏度；

測(cè)驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)子號(hào)5，轉(zhuǎn)速30rpm，溫度范圍25°C；

8)將負(fù)極料從動(dòng)力混合機(jī)中取出進(jìn)行磨料、過(guò)篩，一起在不銹鋼盆上貼上標(biāo)識(shí)，與拉漿設(shè)備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。

2.2.6注意事項(xiàng)

1)完結(jié)，整理機(jī)器設(shè)備及作業(yè)環(huán)境；

2)操作機(jī)器時(shí)，需注意安全，避免砸傷頭部。

配料注意事項(xiàng)：

避免混入其它雜質(zhì)；

避免漿料飛濺；

漿料的濃度（固含量）應(yīng)從高往低逐步調(diào)整，以免添加費(fèi)事；

在拌和的間歇進(jìn)程中要注意刮邊和刮底，保證渙散均勻；

漿料不宜長(zhǎng)時(shí)間放置，以免沉積或均勻性下降；

需烘烤的物料有必要密封冷卻之后方能夠參加，以免組分資料性質(zhì)變化；

拌和時(shí)間的長(zhǎng)短以設(shè)備功能、資料參加量為主；

拌和槳的運(yùn)用以漿料渙散難度進(jìn)行替換，無(wú)法替換的可將轉(zhuǎn)速由慢到快進(jìn)行調(diào)整，以免損傷設(shè)備；

出料前對(duì)漿料進(jìn)行過(guò)篩，除去大顆粒以防涂布時(shí)形成斷帶；

對(duì)配料人員要加強(qiáng)訓(xùn)練，保證其掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以免釀成大禍；

配料的關(guān)鍵在于渙散均勻，掌握該中心，其它方法可自行調(diào)整。

以上就是鋰離子電池的原理、配方及其工藝流程，想完好學(xué)習(xí)鋰離子電池，敬請(qǐng)關(guān)該專(zhuān)題下篇。