锂离子电池生产主工艺设计

目录

1．设计的目的与任务 (1)

1.1课程设计背景 (1)

1.2课程设计目的与任务 (1)

2．设计的详细内容 (2)

2.1原材料及设备的选取 (3)

2.2电池的工作原理 (3)

2.3电池的制备工艺设计 (4)

2.3.1制片车间的工艺设计 (4)

2.3.2装配车间的工艺设计 (8)

2.3.3化成车间工艺设计 (9)

2.3.4包装车间工艺设计 (11)

2.4厂房设计 (13)

3．经济效益 (13)

4．对本设计的评述 (14)

参考文献 (16)

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

LiCoO

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2

作为正极材料的18650锂电报道实际容量已达155mAh/g。本设计拟通过以LiCoO

2

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、

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LiCoO

2

、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：LiCoO

2↔Li

1-x

CoO

2

+ xLi+ + xe-

负极反应：6C + xLi+ + xe-↔Li

x C 6

电池总反应：LiCoO

2 + 6C ↔Li

1-x

CoO

2

+ Li

x

C

6

在正极材料LiCoO

2

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。