超详细:聚合物锂离子电池极耳详解

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 楼主 | 2019-8-5 11:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
  现在我们所使用的数码产品中,绝大多数都是使用的锂离子电池,包括近几年火热的新能源电动汽车,也广泛应用。因为锂的原子量很小,所以用锂作阳极的电池具有很高的能量密度。此外,锂电池还有着体积小、质量轻、寿命长、性能好、无污染等优点,因此倍受青睐。锂离子电池的组成部分为:正极、隔膜、负极、有机电解液、电池外壳,了解锂电池结构的都知道这些;但是,你知道什么是聚合物锂电池极耳吗?

  简单来说,极耳是锂离子聚合物电池产品的一种原材料。分为三种材料:电池的正极使用铝(Al)材料,负极使用镍(Ni)材料,或者负极也有铜镀镍(Ni—Cu)材料,它们都是由胶片和金属带两部分复合而成。胶片是极耳上绝缘的部分,其作用是在电池封装时防止金属带与铝塑膜之间发生短路,并且封装时通过加热(140℃左右)与铝塑膜热熔密封粘合在一起防止漏液。

聚合物锂电池

一、聚合物锂电池极耳分类

1.按极耳金属带材质:

①铝(Al)极耳:一般用作正极极耳,如果电池为钛酸锂负极时,也用作负极极耳。

②镍(Ni)极耳:用作负极极耳,主要用在数码类小电池上,例如:手机电池、移动电源电池、平板电脑电池、智能传递设备电池等。

③铜镀镍(Ni—Cu)极耳:用作负极极耳,主要应用于动力电池和高倍率电池。

聚合物锂电池极耳

2.按照极耳胶(国内市场):

①黑胶极耳:一般用在中低端数码类小电池上。

②黄胶极耳:一般用在中低端动力电池和高倍率电池上。

③白胶极耳:一般用在高端数码电池、动力电池和高倍率电池上。

聚合物锂电池极耳胶

3.极耳的成品包装分为:

①盘式极耳(整条金属带通过设备加上胶片后整条的卷绕成盘),用在自动化生产产线

②板式极耳(金属带加上胶片后裁切成单个的,然后成排摆放用两片薄透明塑料片夹在中间),用于普通生产产线。

聚合物锂电池极耳成品包装

二、聚合物锂电池极耳金属带材质

聚合物锂电池极耳金属带材质

  1.AL1050铝合金为纯铝中添加少量铜元素形成,具有极佳的成形加工特性、高耐腐蚀性、良好的焊接性和导电性。

  2.TU1为无氧铜,氧和杂质含量极低,纯度高,导电导热性极好,延展性极好,透气率低,无“氢病”或极少“氢病”;加工性能、焊接、耐蚀耐寒性均好。

三、各品牌极耳胶结构与性质

1.各品牌极耳胶结构

  目前极耳胶都是从日本进口而来,极耳胶生产技术难点是:PP材料的分子量要控制在一个比较窄的范围内,目前国内的技术生产出的PP胶还达不到要求。

各品牌聚合物锂电池极耳胶结构

  极耳胶结构:极耳胶一般由三层材料热压在一起而构成,除凸版及昭和制造单层改性PP构成及腾森制造五层极耳胶以外。一般极耳胶由中间骨架层及两表面改性PP层构成,两表面的改性PP材质相同。日立和腾森为了追求超高的粘合层与金属带的粘合强度,两个表面的改性PP材质不同,一面是亲金属性改性PP,另一个表面是亲塑性改性PP。这种极耳胶,制作极耳时一旦极耳胶表面用反了,则必定会造成电芯漏液气胀事故。

  目前国内市场上,极耳制造所使用的极耳胶分为白胶、黑胶、黄胶和单层胶。其中高端电芯客户大多采用单层凸版80μm和50μm白胶。一般中低端客户采用DNP黑胶和DNP黄胶。三层结构的白胶在日本和韩国大量采用。单层白胶在日韩电芯公司用的极少,基本都用三层结构白胶。

2.各品牌极耳胶性能

  DNP黄胶结构为中间功能层UHR(为无纺布结构),表面两层为改性PPa。

  UHR层厚度为14g/m2≈12μm,表面改性PPa厚度为44μm。

  UHR熔点为310~340℃,PPa熔点为147℃。

  黄胶极耳有分层的危险。但黄胶极耳的封装条件比白胶容易调节。前期日本极耳胶供应商也提到黄胶的不足,表现为三点:

  ①极耳胶是由中间一层UHR和表面两层改性PP胶热压在一起的。

  ②中间层无纺布,水分会从无纺布中通过毛细管渗透作用引入到电池内部,使得电池发鼓气胀。  

  ③无纺布容易分层,热压效果不好,电芯使用时间或搁置时间长了容易造成漏液。

  DNP黑胶结构为中间功能层PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)薄膜,表面两层为改性PPa。PEN层厚度为12μm,表面改性PPa厚度为44μm。PEN熔点为265℃,PPa熔点为147℃。黑胶其功能层PEN和PP层为不同物质复合,存在分层风险,高端客户一般不采用此胶。

  白胶:白胶又分为单层白胶、三层白胶、五层白胶。

  单层白胶一般由一层改性PP构成,类似于初期的铝塑膜内层,熔点在140℃以上,与铝塑膜的内层CPP熔点接近。

  三层结构白胶表面两层改性PP和中间骨架层PP经共挤制得,不存在分层风险,高端客户及动力电芯一般都采用此类极耳胶。

聚合物锂电池极耳胶性能

四、各种极耳胶性能比较

1.黄胶极耳和黑胶极耳的比较

  DNP黑胶其功能层PEN和PPa层为不同物质复合,界面多,经过电解液浸泡后本身会分层剥离。PEN熔点为265℃,PPa熔点为147℃。且黑胶PPa层里还有3种不同融点的物质,黑色素:66℃,PE 105℃,PP167℃,界面更加不稳定。

  黄胶极耳功能层本身融点300℃以上,所以热封时会更好操作。中间功能层改用了无纺纤维层代替原来的聚萘二甲酸乙二醇酯,界面融合较黑胶好,但仍然无法解决不同物质之间的彻底融合问题。黄胶由于本身PPa层技术的原因,在热封后会变得异常坚硬,失去柔韧性,在封装电池和后期加工(转镍、加板)时,易使极耳胶及极耳金属断裂,从而使电池产生漏液、气胀等。

2.黄胶极耳和白胶极耳的比较

  白胶采用三层具有不同功能的PP材料经共挤制得,其功能层热封温度较宽165~167℃,略低于电池封装温度(180-220℃),可以有效的防止切面短路问题,增大了电池封装时可操作的温度范围,提高了电池生产的成品率。

  黄胶极耳由于本身PP层技术的原因,在热封后会变得异常坚硬,失去柔韧性,在封装电池和后期加工(转镍、加板)时,易使极耳胶及极耳金属断裂,从而使电池产生漏液、气胀等,而白胶极耳由于3个功能层使用的材料属于同类物质(PP类),在热封后仍可以保持极高的柔韧性。

3.白胶极耳和单层白胶的比较

  单层白胶类似于初期的铝塑膜内层,因只有一个融点,热封温度超过融点则易导致完全熔解短路,热封温度在不足时则形成软化,这将导致和铝塑膜的CPP层不能完全融解聚合,电池容易漏液胀气。三层结构的白胶极耳,由于外层采用与铝塑膜内层类似的材料,保证了与铝塑膜的融合,而表面改性PP与中间层PP之间的30℃以上的温差具有更广的热封温度,使封装的操作性更强,保证了极耳胶与铝塑膜之间的封装可靠性。下表为谷口80μm厚三层白胶极耳与凸版会社80μm厚单层白胶极耳硬封封装拉力测试比较:

聚合物锂电池白胶极耳和单层白胶的比较

4.三层白胶极耳和三层或五层白胶(分正反面)极耳的比较

  如前所述,三层白胶极耳外层采用与铝塑膜内层类似的材料,具有更广的热封温度,保证了与铝塑膜的融合,而3层PP间明显的温差使封装的操作性更强。

  极耳胶表面分正反面的极耳胶极耳,如果在制作极耳的过程中用反了,则电芯在极耳胶处必然会发生漏液事故,国内已经发生多次此类事故。而如果严格控制极耳制作过程,不发生用错极耳胶正反面的问题,其极耳胶与金属带之间的熔接强度比正常三层极耳胶极耳的要高。

  下表为谷口100μm厚三层白胶极耳与日立100μm厚三层白胶(分正反面)极耳及滕森105 μm厚五层白胶(分正反面)极耳软封封装拉力测试比较:

锂电池极耳软封封装拉力测试比较

5.日立三层白胶和单层白胶

日立三层白胶和单层白胶

6.日立三层白胶和单层白胶DSC图

日立三层白胶和单层白胶DSC图

7.电池极耳生产流程(白胶)

  动力铜镀镍极耳:铜保证导电性;经过表面处理后镍起到防止铜氧化的作用,如果要保证铜镀镍极耳的焊锡性,还需要对极耳的表面钝化膜进行二次处理。市场上一些公司的极耳不进行二次处理也能勉强上锡,但极耳的耐电液腐蚀性差些。

聚合物锂电池极耳生产流程

  目前,在极耳工业生产中,镀镍主要采用电镀镍和化学镀镍工艺两种,电镀镍层厚度1.8±0.3um,化学镀镍层厚度1.0±0.3um。

8.动力极耳金属带削边处理

  动力极耳的金属带厚度超过0.2mm时,其台阶厚度超过PP胶厚度,则金属带需做侧边削边处理,否则易导致绝缘阻抗降低、产生胀气漏液的风险。

动力极耳金属带削边处理

五、聚合物锂电池极耳的测试

1.电解液浸泡后渗透测试

聚合物锂电池电解液浸泡后渗透测试

2.电解液浸泡后热封强度测试

聚合物锂电池电解液浸泡后热封强度测试

3.电解液浸泡后渗透测试

  参照:日本某EV电芯厂家对EV与ESS极耳的技术要求。

  电解液浸泡65℃×28天,极耳胶与金属导体的玻璃强度要求>15N/15mm。

聚合物锂电池电解液浸泡后渗透测试

  总结:国内电动EV用极耳的耐电解液判定之最低标准为:

  ①85℃×24h电解液浸泡,极耳胶与金属导体的玻璃强度PeelStrength >15N/15mm;

  ②85℃×24h电解液浸泡,渗透液不能侵入胶体内。

4.弯折测试

  厚度<0.2mm时:铝、镍Tab≥7次;镀镍铜≥6次;

  厚度≥0.2mm时:铝、镍、镀镍铜Tab≥5次;

  符合EV动力应用的耐震、耐疲劳韧性测试。

聚合物锂电池极耳弯折测试

  ①铜镀镍动力极耳——镀层密着性测试

  要求:镀层无发黑。

  长时间大电流、行驶震动等情况下镀层性能不足时会:

  电芯内部——镀层脱落至极片——微短路——自放电;

  电芯外部——PACK焊接处镀层松动——接触内阻变大——or焊接处脱落。

铜镀镍动力极耳镀层密着性测试

  ②金属极耳导体关键参数对比

聚合物锂电池金属极耳导体关键参数对比

  ③盘式极耳——胶块脆化程度测试

盘式极耳——胶块脆化程度测试

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| 2019-8-5 16:01 | 显示全部楼层
厉害了 感谢楼楼分享

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