电池原理和主要过程控制点

电池基本原理电池组成要素电池——电解槽①基本组成要素有：正极、负极、电解液②辅助组成要素有：集流体、导电柱、隔膜、外壳等从左图可知，其实一个电池是由许多结构相同的小电池并联而成的。正极隔膜负极正极隔膜负极正极隔膜负极正极隔膜负极正极隔膜负极锂离子电池的优点1、电压高传统的干电池一般为1.5V，而锂离子电池可高达3.9V2、比能量高体积能量密度400Wh/L以上，为传统锌负极电池的2~5倍3、工作温度范围宽-40~70℃4、可快速充放电5、放电平稳大多数锂一次电池具有平稳的放电曲线6、储存时间长预期可达10年7、没有环境污染

●循环寿命：在一定条件下，将充电电池进行反复充放电，当容量等电池性能达到要求以下时所能发生的充放电次数。●自放电：电池在搁置过程中，没有与外部负荷相连接而产生容量损失的过程（电池内部微短路、电极的腐蚀、活性物质的溶解以及电极上的歧化反应等）。●放电速率：表示放电程度的一种量度。所用的容量1h放电完毕，称为1C放电；5h放电完毕，则为0.2C放电。●库仑效率：在一定的充放电条件下，放电时释放出来的电荷与充入的电荷的百分比（也叫充放电效率）

电池相关术语锂离子电池反应机理LiCoO2+CLiYC6+LixCoO2+Li1-X-YR充电时，锂离子从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子；放电时，锂离子嵌入八面体位置得到一个电子。X的范围0≤X≤0.5，当X>0.5时，LixCoO2在有机溶剂中不稳定，会发生失氧反应；同时CoO2不稳定，容量发生衰减。固体电解质界面膜（SEI膜）SEI膜：充电时Li+和电解液、C等物质，在负极表面形成一层致密的膜，这层膜只允许离子通过，不允许其他大的分子进入。如果该膜不稳定或致密性不好，一方面电解液会继续在发生分解；另一方面溶剂会发生插入，导致碳负极结构破坏。SEI膜形成：1、0.5V以上膜开始形成2、0.55~2V膜基本形成。（时间非常短，就几分钟）一、锂离子含量即容量，正极活性物质的量决定容量。

►LiCoO2+CLiC6+LixCoO2二、正极过量会析出锂枝晶，易产生安全问题，所以负极比正极稍微过量。►LiCoO2+CLiC6+LixCoO2+Li三、电解液起到运输锂离子的作用，因此实际量必须保证。锂离子电池设计原则四、水分会消耗锂离子，影响容量，同时产生气体造成鼓壳；同时可能和电解质反应，影响电池的循环、平台等，所以锂离子电池不能有水分。►LiCoO2+C＋H2OLiC6+LixCoO2+LiR+气体►LiPF6＋H2OLiF+PF3O+2HF生成HF会和SEI膜反应，生成水和气体。锂离子电池设计原则锂离子电池设计原则五、隔膜纸起着隔离的作用，一定不能破损，否则正、负极直接短路会带来安全问题。六、负极一定包注正极。电极中的各种材料用途特性比表面积（m2/g）：指材料单位质量粒子所具有的表面积。（测试方法：计算单位重量的材料所吸附的氩气体积）。

粒径（µm）：材料颗粒大小的描述，指材料粒子的直径大小。D50则描述材料平均粒径大小。

振实密度（g/cm3）：材料通过一定机械振动所得单位质量所振实下去的体积。

另外，还有材料本身结构、外观型态、放电容量、容量效率、杂质含量等也是各项材料性能制约因素。材料理化性能定义及描述1、电极材料

就一般锂离子二次电池而言

正极材料：钴酸锂，本身克容量135-150mAh/g，压实密度3.65-4.00g/cc，LiCoO2为正极的锂离子电池具有开路电压高、比能量高（理论比能量1068Wh/kg，理论容量274mAh/g）、循环寿命长、能快速放电的特点，但价格贵。

负极材料：人造石墨、中间相碳微球、天然石墨改性类等等。

普通人造石墨：克容量290-310mAh/g，压实1.45-1.55g/cc。

中间相碳微球：克容量310-320mAh/g，压实1.55-1.65g/cc。

天然石墨改性：克容量320-340mAh/g，压实1.55-1.65g/cc。2、导电剂类

碳墨类导电剂，属无定形碳，导电性能良好，有强吸附性，比表面积大，约为60-100m2/g，其本身没有容量（S-P，S-S，乙炔黑）。

人造石墨类导电剂，导电性较碳墨类稍差，但比表面积较小，为10-30m2/g，本身有容量，约为290mAh/g，其加工性能较好（KS-6，S-O）。

另外还有天然石墨类，因其本身导电性良好，也可作为导电剂，又因本身容量较高，也可作为负极材料。而纳米级碳纤维，导电性能良好，加工性能良好，但价格昂贵。3、胶类

对于俗名为PVDF的高分子胶来说，其化学名为聚偏氟乙烯，其粘度的大小受分子量、官能团位置及加工工艺影响。一般来说，对于相同加工工艺、相同官能团位置，则其分子量越大其粘度越高，但随着粘度的增高，其对浆料的沉降现象也就更为明显。而CMC和SBR则为水性体系中所配合使用的胶。

CMC（羧甲基纤维素纳）：白色或微黄色粉末，本身有粘接性能，但在水性体系中其最基本作用还是分散材料及SBR。

SBR（丁苯橡胶乳）：白色带浅蓝色乳状液体，高分子化合物，与CMC混合使用，其粘接性能较好。

通过高温除去材料中的杂质和水分①温度偏高—正极材料结块②温度偏低—水分和杂质去除不干净，导致所有水分引起的问题。正负极材料热处理制程过程控制点—1潜在问题

使各种原材料充分分散①搅拌不均匀—引起电池局部不均匀，对棍后可能出现极片有暗痕、硬块等现象，电池可能出现容量、内阻和循环寿命的异常甚至安全问题。②搅拌过程中有杂质混入—影响电池性能搅拌制程过程控制点—2潜在问题

使浆料均匀地涂覆在基体表面并烘干①拉浆厚度不稳定/拉浆机调试不到位—引起电池的局部不均匀，可能导致电池的容量和循环寿命的异常甚至安全问题②温度不稳定—极片烘不干引起掉粉或过热影响极片的粘接性能拉浆制程过程控制点—3潜在问题

将极片上无效位置和极耳位置的覆料刮除①刮粉尺寸不准—造成电池装配难度增加，甚至使正负极根本无法吻合，引起电池的安全问题②刮伤基体—导致断片或形成毛刺，严重时会引起电池的安全问题刮粉制程过程控制点—4潜在问题

增加电极活性物质的密度并使表面平整①压力不足，辊压厚度不到位—装配困难，卷绕对位不准，严重时可能引起安全问题②辊面不平整—极片表面不光滑甚至有毛刺，引起电池短路、自放电甚至出现安全问题③压的太死，极片太脆或断片，引起电池容量、内阻、循环等性能异常。对辊制程过程控制点—5潜在问题

按型号要求剪裁极片①切口有毛刺—引起电池短路、自放电甚至出现安全问题②极片出现弧形—装配困难，卷绕对位不准，严重时可能引起电池短路甚至安全问题分条制程过程控制点—6潜在问题

使极片和极耳良好连接在一起虚焊—电池断路或内阻偏大正极焊接制程过程控制点—7潜在问题

使极片和极耳良好连接在一起铆接不牢—电池内阻增大甚至无穷大负极铆接制程过程控制点—8潜在问题

封住极耳部位可能存在的毛刺贴的位置不当，露出毛刺或贴住活性材料—毛刺引起电池的短路或安全问题，正极活性物质被贴住会影响容量正负极贴胶纸制程过程控制点—9潜在问题

除去极片中的水分①温度过高—极片变脆，引起极片掉粉或电池短路，导致电池自放电大甚至安全问题②温度过低—极片除水不净，导致电池容量低、内阻不稳定、循环差极片烘烤制程过程控制点—10潜在问题

隔膜良好绝缘的基础上正负极良好地叠合①正负极片对位不齐—正极活性区域超出负极活性区域，具有安全隐患②操作过程中隔膜受到损伤—导致电池短路或自放电大，甚至引起安全问题卷绕制程过程控制点—11潜在问题

将圆卷芯折成方形卷芯捏扁时位置不对—使极耳偏离设计位置，引起套壳和盖板焊接困难捏扁制程过程控制点—12潜在问题

使电池芯叠层紧密，方便套壳压力过大或过小—压力过大易导致电芯压坏短路，压力过小使电芯压不到位，影响下步操作压扁制程过程控制点—13潜在问题

避免电池芯和壳体或盖板间的短路位置不当—在电池受外界震动或碰撞时不能完全避免电池的内部短路，容易出现安全问题贴上下胶纸制程过程控制点—14潜在问题

将电芯完好无损地装电池壳中套破—使电池短路或自放电大，具有安全隐患套壳制程过程控制点—15潜在问题

使正极耳和盖帽良好连接在一起虚焊—导致电池断路或内阻偏大焊正极耳制程过程控制点—16潜在问题

使负极耳和钢壳良好连接虚焊—导致电池断路或内阻偏大焊负极耳制程过程控制点—17潜在问题

固定盖帽方便焊接虚焊或炸火—虚焊会引起盖帽脱落，影响下步操作；炸火会导致外观不良点盖板制程过程控制点—19潜在问题

使电池壳和盖帽无缝连接①焊接功率不稳定—容易出现焊接漏点，引起电池漏气或漏液②焊接时有杂物炸火—引起电池漏气或漏液并影响电池外观③焊接定位不良—导致电池焊接合格率低并影响电池外观激光焊接制程过程控制点—20潜在问题

监测焊接效果出现漏检或误检—影响电池的注液并出现盖底板漏液测气密性制程过程控制点—22潜在问题

除去电池中的水分①温度失控—温度偏高会损坏电池，温度过低会影响水分的去除，导致电池容量低、内阻不稳定、循环差及尺寸异常等问题②抽真空时不达标—真空度不够会影响电池中水分的去除烘电池制程过程控制点—23潜在问题

检出短路电池漏检或误检—短路或微短路的电池都会出现自放电大的情况，严重时还会在充放电时出现爆炸测短路制程过程控制点—24潜在问题

真空状态下定量注入电解液①注液量不准—注液量过多会导致电池漏液和鼓壳，过少会导致电池容量不足、内阻偏大、平台低及循环性差等问题②注液时与外界隔离效果差—容易导致电池内含水量增加，引起电池容量低、内阻大、平台低及循环性差等问题注液制程过程控制点—25潜在问题

使电解液充分渗透储存时环境控制不好—容易使电池吸水，引电池各项性能异常储存制程过程控制点—26潜在问题

使电池在小电流的状态下活化电流和时间控制不好—①电池充电不到位引起后续判断不准甚至电池鼓壳②预充前后时间控制不当会使电池内含水量增加，引起电池容量低、内阻大、平台低及循环性差等问题预充制程过程控制点—27潜在问题

检测电池的自放电情况电压测量不准—对自放电电池检定出错，易在分容过程中出现爆炸的异常情况测电压制程过程控制点—28潜在问题

检测电池的容量电流和时间控制不好—①放电电流不准—影响电池的分容准确度，出现误判现象②恒压电压不准a、电压偏高会导致电池过充，影响电池性能和分容准确度，极端时可能出现爆炸b、电压偏低会导致电池充电不足，影响电池分容的准确度分容制程过程控制点—29潜在问题

检测电池的自放电情况温度对储存结果有影响储存制程过程控制点—30潜在问题

清理电池表面①抛光不良—影响电池的外观②定点抛光时间过长—电池过热影响电池的各项性能抛光制程过程控制点—31潜在问题