锂离子电池生产过程中的重要质量管控点

1、锂离子电池生产过程中的重要质量管控点第38卷2008正第5期10月电池BATTERY BIMONTHLYV01.38.NO.5 Oct.2008锂离子电池生产过程中的重要质量管控点吴雪平(无锡日立麦克赛尔有限公司，江苏无锡214028)摘要:介绍了锂离子电池封口体组件、卷绕、组装、注液、化成和特性检查 过程中的一些重要的质量管控点，对焊接强度、毛刺、电极状态和短路等的控 制目的及控制方法进行了说明。强调了乂射线检查、耐电压检测、电压差管理 等在质量管理上的重要性。关键词:锂离子电池；生产过程;质量控制点;X射线检查；电压差管理 中图分类号:TM912.9文献标识码:A文章编号:10011579

2、(2008)05 030504Important quality control points in manufacturing process of Li ion battery WU Xueping(Wuxi Hitachi Maxell Co.,Ltd.,Wuxi,Jmn 伊 u 214028,China)Abstract:The important quality control points in manufacturing process of Li ion battery such a8gasket sealing unit assembling, jelly roll wind

3、ing,assembly,electrolytepouring,formation and characteristics checking wereintroduced.Control purpose andcontrol methods of welding intensity,cutting burr,dectrode alignment and short circuit were analyzed.The importance of Xray impection,with8t 龃 ding voltage test and voltage drop control were emph

4、asized.Key words:Li-ion battery;manufacturing process;quality control points;Xray inspection;voltage drop control锂离子电池的质量，尤其是安全性能受到了越来越多的消费者的关注。在 电池设计上,有专门针对极端情况，即万一发生严重质量问题时的保护措施，如 在电池的铝壳(正 极罐)上有安全阀(开裂阀)，还采用专门的保护电路(PCM)和 热敏电阻(PTC),防止过充电、过放电和过电流等情况下 电池发热、起火及爆炸 等危害人身和财产的事故。更重要的是各生产厂家在生产过程中应针对一些 薄弱点加强

5、质量 管控，从源头上防止出现各种可能涉及安全性能的质量异常。 这些异常一旦出现，仅靠最终的出厂质量检查手段是很 难全部检出和排除的。本文作者主要针对没有焊接PCM和PTC的锂离子电池（以方形锂离子电池 为例）在生产过程中的一些重要质量 控制项目及如何控制等，进行了详细地描述 和说明。l锂离子电池的基本构造和生产流程典型的手机用锂离子电池构造见文献2。可将锂离子电池的生产流程简 单地分为封口体组件装配、电极卷绕、组装、注液、化成和特性检查等主要工 序。2封口体组件装配工序该工序将负极端子、密封件、盖、绝缘板和押板铆合在一起，形成组件。 该工序对电池的质量很重要,但容易被人们忽视。2.1封口体组件

6、铆合后的高度2.1.1控制目的铆合后的高度决定了封1:1体组件的铆合强度。铆合强度不够，将导致电 池内阻升高甚至电流无法输出，如果负极端子在其他生产工序中受力，使押板倾 斜，会导致电池内部短 路;铆合强度过大，可能使密封件破裂，导致失去绝缘作 用。2.1.2控制方法一般采用在线高度测量计进行全数检查。2.2封口体组件的扭矩2.2.1控制目的控制目的与封口体组件铆合后的高度相同。铆合后高度的测量是非破坏性 的，无法得到铆合强度的实际数据，因此有必要进行破坏性的抽样检查。2.2.2控制方法将封1:3体组件放入对应的检测夹具，将检测夹具与上部 嵌合，将绳子放入 轨道,用弹簧秤勾住绳子的头部，以垂直方

7、向从开始点拉至终止点（45。），读取 弹簧秤的读数（图1）。一般要用管理图控制。作者简介：吴雪平（1972 ），男,江苏人，无锡日立麦克赛尔有限公司工程师，主要从事 锂离子电池生产质量管理工作。万方数据电池BATTERY BIMONTHLY 第 38 卷图1封口体组件铆压扭矩测量图Fig.1Measuring method of torque for gasket sealing unit 2.3 封口 体组件的绝缘性2.3.1控制目的部件上的金属毛刺容易刺穿密封件，铆合强度过大也可能使密封件破裂，导 致封口体组件失去绝缘作用。2.3.2控制方法一般采用在线内阻表进行全数内阻测量。2.4封口体

8、组件的外观2.4.1控制目的防止在加工过程中押板倾斜、接触密封件部位存在毛刺等造成电池内部短 路;盖的注液孔内有毛刺，易掉入电池内部，造成质量问题;如果对盖的安全阀造 成了损伤，也会导致 漏液。铆合不好，易导致电池在受到振动时内阻升高。2.4.2控制方法用显微镜进行全数检查。3卷绕工序该工序将正、负电极箔和正、负极引板焊接,再与正、负隔膜卷绕在一起, 形成卷绕体，组成电池的内芯，是锂离子电池生产的核心工序，决定了电池的安 全和质量。3.1电极及引板切断后的毛刺3.1.1控制目的电极和引板如果切断后毛刺（毛边）过长,将穿透隔膜，引起内部短路或微短 路。毛刺应小于隔膜的厚度，如20 t-tmo3.

9、1.2控制方法定期抽样,用显微镜测量，要注意同时测量平面和断面的毛刺，一般要用管 理图控制。3.2电极箔和引板的焊接强度3.2.1控制目的在电极箔和引板焊接强度不足或虚焊、脱焊的情况下，电池受到振动或冲 击会影响导电性，导致内阻增大;最坏的情况下，电池会失效（无法输出电流）。3.2.2控制方法由于是破坏性检查,只能抽样用拉力机来检查焊接后的剥离强度，一般要用 管理图控制。不仅要看焊接强度，还要注意焊点的状态及剥离后的箔体残留面 积等。针对可能发生的脱焊，可在生产中，增加用一种装置夹住引板的工序，以 适当的力拉伸，进行全数确认。3.3正、负极和隔膜的相对位置3.3.1控制目的正、负极和隔膜的相对

10、位置，决定了锂离子电池的安全 性能。在正常情况 下，隔膜纵向要比正、负电极长，负极纵向要比正极长，这样隔膜就可包住电极, 防止纵向正、负极直接 接触;负极中的石墨需要吸纳来自正极的Li+，如果负极 比正极短，那么来自正极的Li+无法被负极吸纳，将堆积成锂 枝晶析出，最终将 刺穿隔膜,造成内部短路【3J。正、负极横向的相对位置也很重要。正、负极 之间的隔膜万一破损或受热收缩，正、负极就有可能直接接触（内部短路）。若 正、负极的金属箔直接接触，由于金属箔本身的阻抗很小，将导致内部短路时 的电流很大，电池将产生发热、膨胀，甚至爆裂。3.3.2控制方法进行抽样检查，更重要的是通过x射线检查卷绕体内部

11、的状态，即正、负极 纵向的相对位置（图2a）,包括正、负极是否卷成了笋状（图2b）。图2通过x射线可以发现的各种不良Fig.2Some kinds of defects could be found by X-my inspection 3.4 卷绕体绝缘性能3.4.1控制目的金属异物的混入、引板或电极箔切割后的碎屑掉入、电万方数据第5期 吴雪平:锂离子电池生产过程中的重要质量管控点极涂层的脱落、隔膜在卷绕过程中的破损等,均会导致内部短路或微短路, 因此要检测卷绕后卷绕体的绝缘性能。3.4.2控制方法一般采用在线内阻表进行全数内阻测量（2Mfl以上），可发现并排除已经产 生内部短路的卷绕体；同

12、时使用x射线 来检查卷绕体的内部状态,观察电极或隔 膜是否有破损、有异物混入等，以排除存在内部短路隐患的卷绕体。4组装工序该工序将卷绕体插入正极罐（一般是铝罐），再放人防止正、负引板弯曲时 引起短路的上部绝缘板，接着将正、负引板 焊接到封口体组件上，最后对封13 体组件和正极罐的接缝处进行激光焊接密封。这个工序的重点是防止可能产生 的内部短路等问题。4.1卷绕体的插入状态4.1.1控制目的卷绕体插入正极罐时，易产生插入不到位（过深、过浅和 倾斜）及插入异常, 如侧面弯曲（图2c）、破损等（图2d）。尤 其是插入异常，将导致内部短路。4.1.2控制方法鉴于普通的检查是破坏性的，只能通过全数x射线

13、检查 的方式进行。4.2封口体组件和引板的焊接强度4.2.1控制目的将电极上的正、负引板焊接到封13体组件上，在焊接强 度不足或虚焊、脱 焊的情况下（图2e）,电池受到振动或冲击时将影响导电性，导致内阻增大;最坏 的情况下，电池会失效（无法输出电流）。4.2.2控制方法因为是破坏性检查,所以只能抽样用拉力机来检查焊接后的剥离强度，一般 要用管理图控制。不仅看焊接强度，还 要注意焊点的状态。4.3封口体组件和正极罐嵌合后的内部状态4.3.1控制目的封口体组件和正极罐嵌合时，正、负引板在正极罐中的弯曲状态很重要，尤 其是负极引板。如果在弯曲时形状异常、或碰到正极罐内壁，将导致内部短 路。引板在弯曲

14、时，也可能引起断裂（图2f）,导致内部断路，电流无法输出。4.3.2控制方法对负极引板和正极罐内壁之间的安全距离，可通过自动x射线检查选别装 置来进行（图29）,对于引板形状异常、断 裂等,只能通过人工X射线来判断。 一般采用全数自动X射线检查和抽样人工x射线检查相结合的方式。4.4封口体组件和正极罐焊接强度4.4.1控制目的封口体组件与正极罐焊接不好，将起不到密封的作用，直接导致电解液泄漏; 如果焊接强度不够，电池在跌落时易产生裂缝。4.4.2控制方法一般可将两种方法配合使用。检查焊接深度,在侧面锉开焊接处,用显微 镜测量焊缝的深度;使用水压装置（原理类似于液相色谱仪），将正极罐底部钻 出一

15、个小孔,将水压 装置的出水接头缠上生胶带后塞进小孔,逐渐升高水压，在 焊缝被冲破的瞬间读出水压值（焊接强度很好的情况下，往往是正极罐侧面先破 裂）。这两种方法都属于抽样破坏性检查，要用管理图控制。焊接状态的外观检 查（是否有裂缝、小 孔等）也是必要的。4.5组装完成品的潜在内部短路（异物混入）4.5.1控制目的电池在组装过程中，可能会有脱落的电极涂层、正极罐开口处的毛刺、引 板切断后的碎屑等金属异物混入（图2h）,虽然当时没有引发内部短路（针对电 池进行开路电压和内阻的检测.无法检出），但在使用过程中，金属异物可能逐渐 穿透隔膜，引发内部短路导致电池失效。要针对电池内部可能发生的潜在短路 问题

16、进行控制。4.5.2控制方法采用耐电压装置，在电池的正、负极之间加上几百伏的瞬间高电压,如果隔 膜上附有金属异物，在瞬间高电压的引导下，将击穿隔膜，导致内部短路,这样可 将不良电池排出。一般采用全数自动耐电压检查的方法。5注液工序该工序是往电池中真空灌注电解液，再将注液孔密封的过程。目前生产的 高性能电池，一般采用两次注液、两次注液之间进行预化成。需要指出的是，注 液要求在干燥的环境中进行，要控制整个工序的湿度（露点管理）。电池在注液 前需要进行高温真空干燥,彻底排除内部的水分，并对真空干燥的温度、时间 等进行管理。5.1注液量5.1.1控制目的注液量不足,将引起电池容量偏低、内阻偏大及膨胀等

17、问题。注液量过多, 电解液在预化成时易溢出注液孔，造成 注液孔密封（焊接）时容易产生焊接小 孔、裂缝等问题。5.1.2控制方法用自动电子天平对注液前后的电池进行全数称重来控制,要用标准砝码对 自动电子天平进行日常校检，因为溢出的电解液容易在电子天平内结晶，甚至腐 蚀电子天平。5.2预化成的条件5.2.1控制目的预化成一般是分几个阶段对电池进行恒流充电，目的是 对电池少量适度充 电，使之激活，使电池内部充电导致化学 反应而产生的气体,在电池封口前排出, 避免膨胀。若每个阶段的充电电流偏小、时间偏短的话,将起不到激活电极、 排出气体的效果，在正式化成后可能会导致膨胀。预化成后的万方数据308电池B

18、ATTERY BIMONTHLY第38卷陈化时间（如30120rain）也要控制，以确保电解液有足够 的时间充分、 均匀地浸润到电极和隔膜内部。5.2.2控制方法使用电流表对预化成设备的输出电流进行定期点检，并记录充电和陈放时 间。有特殊要求的场合，还要对预备化成工序的温度进行控制。5.3注液孔焊接后的密封（焊接）状态5.3.1控制目的注液孔的焊接效果不好，将起不到密封的作用，直接导 致电解液泄漏或外面 的水分进入电池内部，导致电池膨胀。5.3.2控制方法用CCD画像检查机对焊接轨迹进行全数检查,对是否 有裂缝、小孔等问题, 则由人工使用显微镜进行检查。6化成和特性检查工序该工序对电池进行充放

19、电，将电池激活，并在电极表面 形成SEI膜。化成分 一次和二次化成，中间有一个高温加常温的老化过程。SEI膜主要在老化过程 中形成，对电池的循环性能、贮存寿命、不可逆容量损失和安全性能起着重要 的作用引。二次化成后到出货前，需要714d的陈化时问。6.1化成工序的 电压、内阻及容量检查6.1.1控制目的在一次和二次化成工序中，要对各阶段的电压进行点检 和监控，这属于针对 化成设备的管理项目，以防止电池充放 电不足或被过充过放，导致电池出现爆 裂。需要检查一次和 二次化成后电池的有关电性能，及时排除化成不良品。6.1.2控制方法对一次化成后的电压，二次化成后的电压、内阻和容量 进行全数检查;还要

20、 对外观（是否有漏液、膨胀等）进行全数 检查。6.2电压差的控制6.2.1控制目的锂离子电池的最终检查，不应该仅根据规格来判断，尤其是电压。限于目前 的制造技术，尤其是正、负电极的制造技术，尚无法完全杜绝电池内部微短路的 产生。微短路一般是指电极涂层上脱落的活性物质、电极表面的微小突起、空气 中的粉尘等在隔膜上附着后，当时没有直接贯通隔膜，但潜在的导通部位，随着 时间的增加慢慢地贯穿隔膜.最终导致电池短路。隔膜上的黑色斑点，一般认为 是微短路的原因。正常电池虽然也存在自放电现象，但电压 比较稳定，表现为二 次化成后的每月电压降不超过4 6mV，而存在微短路的电池，电压降超过这个 幅度。组装工序中的耐电压检查,无法从根本上控制微短路，尤其是在化成过程中 逐渐产生的微短路。6.2.2控制方法有两种方式进行电压差的控制。如果每一只电池在化成结束后到最终出 货前能做到在电压检测时一一对应，就 可以在两次电压检测值之间设置一个电 压差来进行管理，但 这需要大量的人力物力及专用电池托盘;针对每个制造批 次,在出货前的电压检测时进行4-30或4-4a管理，即在设置 电压的检测上下限 值时，不是采用规格值，而是采用比规格值更为严格的d管理线，这样可将每个 制造批次中电压偏差 较大的电池（虽