大容量动力型锂离子电池的研制与生产.doc

1、大容量动力型锂离子电池的研制与生产本文由 thebestli贡献pdf文档可能在 WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第 +% 卷第 % 期电池工业 !“#$%;3;2）非正常充电 （ 电池不爆炸、 不燃烧。 $ 机械测试 与 !9 - 邮局汇款 汇款地址： 江苏省苏州市莫邪路 1! 号 邮 编： #-5,1 # 银行汇款 开户行： 苏州工行道前支行 户 帐 名： 轻工业化学电源研究所 号： -,#,#,#,+,-,-!+,! 联系人： 孟良荣 电池工业杂志社()*$ +% ,)$ %收款人： 电池工业杂志社 联系电话： ,5-# 7 19#1-!9“传真：

2、,5-# 7 19#1-“$9!“!“#$ %&1本文由千年莫醒贡献pdf文档可能在 WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。维普资讯 http:/电 池工 业 第 卷第 期 年 月 大容量动力型锂离子电池的研制与生产 余 国华 ， 斌 肖（ 苏州星恒 电源有限公司 ， 江苏 苏州 ） 摘 要 ： 绍 了大容量 动力 型 介 锂 离子 电池和 高功率 型 锂 离子 电池 的产 品设计 、 术指 技标确 认 、 主要 原材 料 的选择 、 制造 工 艺过程 和性 能检 测 情 况。两种 型 号产 品经 美 国安 全检 测 实验 室按 照 标 准检 测 ， 合标 准要

3、 求 并取 得 认 证 。 符 动力 型 电池 以 电流进行 充 。放 电循环 ， 在 的条件下， 循环寿命 次时能达到额定容量的 。在 条件 （ 下 ，以 电流放 电至终 止 电压 ，放 电容量 可 达额 定容 量的 。高功 率型 电池 能 以 。 ） （ 电流放 电 以 。 电流进行充放电循环， 在 的条件下， 循环寿命在 次时 ， 能达 到 额定容 量 的 。在 一 条件 下 ， 电流放 电至 终止 电压 ， 电容 仍 （ 以 放量 可达 额定 容量 的 。 关键 词 ：动力 电池 ； 电动 自行 车 ； 离子 电池 ； 计 ； 锂 设 性能 ； 制 研中图分 类号 ： 文 献标 识码

4、： 文 章编 号 ： （ ） ? （ ） ， （ ， ， ， ） ： ， ， ， ， 一 ， ， （ ） ， ； ； ； ； ； ： 近 几年 来 ， 国 电动 自行 车 发展很 快 ， 年增 加 我 每 倍 ， 而小 容量 、 比能量 型 的锂离 子 电池 ， 高 不能 收 稿 日期 ： 满 足 电动 自行 车 的使 用要求 ， 这样 的背景 下 ， 州 在 苏 星 恒 电源 有 限公 司在 中科 院物 理所 原有 技 术 的基 础 上 ，率先 开 发 了 电动 自行车 市 场 急需 的大 容量 动 力 型和 高功 率 型锂 离子 电池 ，产 品性 能水 平 有较 大 提 高， 电池 组重

5、量和 体积 仅 为铅蓄 电池 的三 分之一 ， 在 作者简介 ： 国华（ 一）男 ， 余 ， 湖北省人 ， 教授级高工。 ： （ 一） ， ， 维普资讯 http:/电 池 工 业 第 卷第 期 锄年 月（ ） 电电流大 。电动 自 放 行车 电池相对 电流大 ， 生产技 术 上有 突破 ， 取得 了较 大成 果 。 研 制 过程 产 品设计 设计 原则 在设计上 ， 尽可能降低正 、 负极板厚度 ， 增加极板片 数， 减小 电流密 度 ， 应 大 电流放 电 的要 求 。 适 技术指标的确定 技术指标 主要依据市场调查和主要 用户的具体 要 求确 定 ， 从大 生产 的角度 出发 ， 但 希

6、望 以最少 的 品 种满 足多 种用途 要 求 。 以 ， 产 品设计 确定 技术 指 所 在 标 时 ， 可能 以一个 典 型产 品满足 多种 用户 要求 。 尽 如 （）市场 观念 原则 。 品的设 计 一定要 有 市场观 产 念 ， 现有 市 场进行 分析 ， 见未 来 的市场 ， 目的、 对 预 有 有 计 划 地 引 导 消 费 市 场 。如 电动 自行 车 电池 市 场 ， 以上 都 是铅 蓄 电 池 。 由于铅 蓄 电池 与锂 离 子 电 我们设计的 电动 自行车 电池用典型产 品 电池 以相同的电芯 ，采用不同的串并联方式和串并联数 量 ， 能满 足多 种 型号 电动 自行车

7、用 电池 的要求 。 就 同时在设计上稍加改动 ，就又能成为高功率锂 离子 电池 ， 足混 合 电动轿 车 的使 用要 求 。我们 确定 满池相 比较 ， 存在体积大、 质量重 、 寿命短、 污染环境等 固有 劣势 ， 一 劣势将 逐 步为 消费 者所认 识 ， 这 一定会 有部 分 消费 者要 购 买锂 离 子 电池 ，可 以预见 未 来 电 动 自行车 所用 电池 ， 定会有 锂 离子 电池 的市 场 。 一 （）用户 要求 第 一 的原则 。 计 产 品时一 定要 了 设 解 用 户 的要 求 和想 法 ，针 对用 户 的要 求 进行 完 善 的 设计 。 目前 电动 自行 车 电池市

8、场 ， 如 为什 么很少 使用 的单体电池技术指标如表 所示 。 表 单 体 电池 技 术 指 标 锂离子电池 ， 主要是二个问题 ： 一是用户担心大容量 锂离 子 电池 的安 全 问题 ， 害怕 爆 炸和燃 烧 ； 是锂离 二 子 电池价 格太 贵 。所 以 ， 在设计 的时候 ， 一定 要解决 好这 两个 问题 ， 如在设 计 中 ， 用锰 酸锂 而不 选用钴 采 酸 锂或 镍 酸锂 来作 为 正极 材 料 ，就 是 因为 锰酸 锂价 格便宜 ， 且安全性好。 设计 方案 确定 电动 自行 车 用锂 离子 电池 与手 机 用锂 离子 电池 比较 ， 不 同点有 ： 其 （）容 量 大 。

9、手 机 电 池 容 量 最 大 不 超 过 ， 而 电 动 自行 车 一 般 需 要 以 上 。电池 的容量大 ， 安全性问题也大 ， 就要求 电池设 计时主要原材料都要选择安全性 能最好的，从 电池 内部保 证 电池使 用安 全 。此外 ， 心设计 电池 的安全 精 阀和保 护 电路 ， 保一 旦 内部意 外 地没有 控 制住 ， 确 也 能 保证使 用 安全 。 主要原 材料 选择 （ 大关 键材料 选择 ） 正 极材 料 的热稳 定性 不及 ， 且价 格 在各 种 （） 多个电池串联组合 。 多个电池串联组合要求 设 计 和制造 的 电池一 致性 、 均匀 性 好 ， 能保证 电池 才

10、组 性 能 水平 和循 环 寿命 ，同 时设 计 上要 考 虑相 关 的 保 护 电路 和平 衡 电路 。 正极材料 中是最贵的，不适合做大容量动力型锂离 子 电池 。 层状 有高比容量 ， 价格 比 低 ，比 贵 ， 热稳 定性 和 安全性 较差 ，合 成条件 苛 ： 但 刻， 难以制备 ， 也不适合制造大容量动力型锂离子电 池。 （） 耐冲击振动。 电动 自行车电池经常处于振动 冲击状态 。单体电池选用不锈钢外壳 ， 机械强度好 ， 结构 设计 采用 铆接 压缩 塑 料技术 ， 既坚 固 又达 到正 、 通过表 面修饰改性 的 解决 了电池高温 循 环 容 量 衰 减 问题 ，同 时 也

11、提 高 了 大 电流 放 电 水 负极与壳体绝缘密封不漏液。 电池组焊接串联 ， 粘结 固 定 使 电 池 组 结 构 紧 密 坚 固牢 靠 ，能 耐 冲击 和 振 动。 平。这样 ， 成为大容量动力型锂离子电池正 极材 料 的最佳 选择 。 维普资讯 http:/电 池 工 业 余国华 等 ： 大客量动力型锂 离子 电池的研制与生产 ， 负极 材料 产 品性 能 目 已经商品化锂离子 电池负极材料是石墨类 前材料 ， 类材 料又 分为 人造 石 墨 和天然 石 墨 。 这 天 然石 墨 的放 电容 量 较 高 ，达 到 以 国家“ ” 划动力 蓄 电池组 测 试基 地 检测 计在 “ ”计划

12、电动汽车重大专项总体组织的动 力电池综合评估中，研制的动力型锂离子 电池系列 产品连续 （年和 年） 年 都通过了安全性 能检测 ， 检测前 电池均进行正常充 电。检测项 目为 ： ）短 路 试 验 ：以 电 阻小 于 的 导 线 外 部 短 路 ， 电池不漏 液 、 不爆 炸 、 燃烧 ；） 压 试验 ： 不 挤 经 上， 价廉 ， 但循环性能差 ， 工艺过程不好控制 ， 生产难 以稳定。 电动 自行车电池要求循环性能好 ， 每天都要 进行充放电。所以， 目前天然石墨不宜采用 ， 其性能 有 待 提高 。 人 造 石 墨 中以 中间相碳 微 球 为 代表 ，其 挤压后壳体破裂 ，内部短路，电

13、压为 ，电池不爆 炸 、 燃烧 ； ） 刺试 验 ： 不 针 用 的钢钉 垂直 于 电 池极 片迅 速贯 穿 ， 并停 留在 电池 中 ， 电池 不爆 炸 、 不 燃 烧 ；）过 充试 验 ：电流充 至 电池 不 漏液 、 ， 不 爆 炸 、 燃烧 ； ） 落试 验 ： 高处 跌落 到木 不 跌 从 板 上 ，电池不 变 形 、不漏 液 、不 破裂 、不爆 炸 、不 燃 烧 。 ）加热 试验 ： 搁 置， 在 电池不 变形 、 不 漏 液 、 破 裂 、 爆炸 、 不 不 不燃 烧 。 美 国安全 检测 实验 室 的检测 放 电容量 比天然石墨稍低 ， 一般在 ， 成本高， 价格贵 ， 但循环

14、性能好 ， 工艺适应性强 ， 便 于批量 生产 ， 选 用人 造石 墨 作为 负极 材料 。 我们 隔 膜 隔膜 性 能 的好 坏 决 定 了电池 电极 界 面结 构 及 内 阻 ， 接影 响 电池 的安全 性 、 电流放 电性能 、自放 直 大电大小和循环寿命等性能。 锂 离子 电池 隔膜 一 般有 干 法 和湿 法 两种 制造 方 法， 湿法 一 般为相 分 离法 ， 是单 层 膜 。 干法 又称 拉 伸 致孔 法 ，一 般为 多层 隔膜 ，具 有 强度 按 标准对电动 自行车用 型和混合 电动轿车用 型单体 电池进行检测 ，各项均符 合标准要求 ， 通过 认证。 认证检测时 ， 除检测

15、新 电池 外 ，还 检 测 已进行 过 多次 充放 电循 环 的 旧 电 池 ， 测项 目分 为 类 ， 检 项 检测 前 对 电池 均进行 正 常充 电。 好、 自关闭温度较低 、 安全性好等优点 ， 以我们选 所 用 这类 隔膜 。 电解 液 一般 由高纯的电解质盐、 溶剂和添加剂组成 ， 其 性 能水平 直 接影 响 电池 的 电气 性 能 （ 率特 性 ） 倍 、安 全性能、 环境 能 （ 生 温度特 ） 生 和循环寿命 。 我们选 择了导 电性好 、无毒性的 电解 作 质 ， 择环 状结 构 （ 酸 乙烯 酯 ） 键状 （ 选 碳 和 碳 酸二 甲酯 ） 混合液作有机溶剂。 还选择

16、（ 碳酸亚乙 酯 ） 高 活性 成膜 添加 剂 。 作 产 品制造 工 艺流 程 电气测试 短 路 ：在室温 和 两 种环 境下 ，分 别 以阻 ） 值小 于 的铜线 对 电池 的正 负极短 路 ； 电池不爆 炸、 不燃烧 ， 外壳表面温度小于 。 ）非正 常充 电 （ 过充 ） 以 ： 电流过 充至 ； 电池 不爆 炸 、 燃 烧 。 不 机械测试 产 品制 造工艺 流 程如 下 ： 负 极物 质 铜镉 不锈钢 壳 装配盖 ）挤 压 ： “ ” 力蓄 电池 组测 试基 地 检测相 与 动同。 ）撞击 ： 电池 平放 ， 直径 为 的钢棒 将 把 圈 一囵 一圜 一圈 一圈 一圈蓊 景 正楹

17、物质一 圈 一圈 上 隔 ； 膜 放在 电池 中心 ，再 让 质量 为 的重物 从 高度落到钢棒上 ； 电池不起火 ， 不爆炸 。 速度 ： ）加 最小 平均 加速 度达 到 为重力 （ 加速 度 ， 同 。 ） 峰值 加速 度介 于 ， 电 下 ， 对 池各 方 向进行 加速 度检 测 ， 电池不 爆 炸 、 燃烧 。 不 ）振动 ： 以振 幅为 ， 频率 为 ， 以 的速 率 变 化 ，对 电池 个 相 互 垂直 方 向振 动 ， 动 时间 为 电池不 爆 炸 、 燃烧 、 振 ； 不 不 漏液 。 囵 一 一 一 一回 一 圈 回 圈 囤 晰 燥 干 真 空型 兰 里 均板 匹三 衡 囵

18、 一囵 一圈 一 维普资讯 http:/电 池 工 业 第 卷第 期 年 月 环境测试 ） 加热测试 ： 电池置于烘箱中， （ ） 将 以 速度升温至 并保持 停止 ；电池不爆 炸 、 燃烧 。 不 ）热循 环测 试 ： 电池在 热循环 室 ， 温 至 升 ， 醴 口 （ 保持 ） 降至 （ 一 保持 ） 一 一 ： 一 ， ： 降低至 一 （ 保持 ） 升至 ， 一 循环 次后 ， 电池放置 天不漏液 、 不爆炸 、 不燃烧 。 ） 低气压 （ 模拟高度） 在 （ ： ， ） 条件下 ， 贮存 ， 电池不爆炸、 不燃烧 、 不漏液 、 不泄 气。 图 锂 离 子 电池 过 充 特 性 曲线

19、产 品性 能测试 结 果 安全 性 电池 的短 路 温度 特 性 、针 刺温 度 特性 、过 充 特 如 性、 过充 温度 特 性 击 测试 、 撞 加 ： 曲线分 别见 图 图 。 加 加 ： ： ? ? ： 、 。 图 锂 离 子 电池 过 充 温 度特 性 图 锂 离 子 电池 短 路 温 度 曲线 ? 如 叫 、 之 ? 一 ， 图 锂 离 子 电池 撞 击 测 试 曲线 充 电特性 各 种 电池 不 同倍率 下 的充 电 曲线 见 图 一图 。 维普资讯 http:/电 池 工 业 余国华 等 ： 大容量动力型锂 离子电池的研 制与生产 ，！ 放 电特 性 ， 一 一 一 一 二 一

20、 二 一 了 嘣 ： 加各 种 电池不 同倍 率下 的放 电 曲线 见 图 图 。 ， ， ！ ， ， ? ： ： ； ： 湖 【 图 锂 离 子 电池 不 同倍 率 充 电 曲线 图 锂离子 电池不同倍 率放电曲线 二 至 ， 妻 ： 。 二 一 “ 嘈 ： 一 ； 一 一 ：一 ； ； 。 。 “ 一、； ： 、 、 一 ！ ： ： ： 一 ： 毫 一 ： ； 、 、 、 、 图 锂 离 子 电 池不 同倍 率充 电 曲线 图 锂 离 子 电池 不 同倍 率放 电 曲线 ； ： 一 丰 考 罾 季 口 一 图 锂 离 子 电池 不 同温 度 充 电 曲线 图 锂离 子 电池 高 倍 率 放

21、 电 曲 线 维普资讯 http:/电 池 工 业 第 卷第 期 暑 年 月 温 度特 性 。铊 弘 如 电池 在 不 同温 度下 的放 电 曲线 见 图 图 三 ： 摹 善 、 、 丑 蛔 斗 ? 卜一 ： ? ? 卜 一 瓤享 釜基臣蜜 越： ： 斗 循环次数 图 锂离子电池循环特性 图 锂离子电池不同温度放电曲线 荷 电保持 能力 暑 电池 的荷 电保持能力见图 。 弛 如 一 ：二 ” “ 篓 ” 孽 一 ： ：二 耋篝基李 ； 一 “ “ 一 ： 咔 ： ： 一 ： 一 ： ； 。 ” ? ；： ：； ；二 ： 卜 ： ： ” “ 一 一 二 三 譬 ： ； ； ； 【一 ； ： 。

22、 。 ” “ ” “ 一 图 锂离子 电池 充电后搁置 天后放 电曲线 图 锂 离子 电池 不 同温 度 放 电 曲线 循环 寿命 批 量生产 电池的循环寿命 曲线见 图 图 。 一 产 品 的一致 性 产品形成批量生产 ， 首先应追求在制造过程中， 确 保 产 品 的均 匀 性 和一致 性 ，不 能 形成 一批 质 量特 别 好 、 一批 特别差 的局 面 ， 了达 到各 工序 产 品的 另 为一 致性 ， 我们从以下几个方面进行控制。 （ ） 备保 证 设 为 了保 证 电池 的一致 性 ， 别是 极板 的一 致性 ， 特 我们 设 计 制 造 了 内 腔 为 宽 的 自动 涂 布 干 燥 系统 ，购 买 了直径 为 的大型辊 压 机 ，自己还 设计 了极 板 切 片机 械化 设备 和极 板 包 隔膜 自动化 设 丑 蛐 饰 循环次数 备， 基本 形成 自动 化程 度较 高 的极 板 制造生 产线 ， 避 免 了很 多人 为 操作 上 的不 一致 性 ，从 而保 证 了极 板 厚度 的一 致性 、 载重 量 的一致 性 和外 观 的一致性 。 图 锂离子 电池循环特性 维普资讯 http:/