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    超詳細:聚合物鋰離子電池極耳詳解

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      現在我們所使用的數碼產品中,絕大多數都是使用的鋰離子電池,包括近幾年火熱的新能源電動汽車,也廣泛應用。因為鋰的原子量很小,所以用鋰作陽極的電池具有很高的能量密度。此外,鋰電池還有著體積小、質量輕、壽命長、性能好、無污染等優點,因此倍受青睞。鋰離子電池的組成部分為:正極、隔膜、負極、有機電解液、電池外殼,了解鋰電池結構的都知道這些;但是,你知道什么是聚合物鋰電池極耳嗎?

      簡單來說,極耳是鋰離子聚合物電池產品的一種原材料。分為三種材料:電池的正極使用鋁(Al)材料,負極使用鎳(Ni)材料,或者負極也有銅鍍鎳(Ni—Cu)材料,它們都是由膠片和金屬帶兩部分復合而成。膠片是極耳上絕緣的部分,其作用是在電池封裝時防止金屬帶與鋁塑膜之間發生短路,并且封裝時通過加熱(140℃左右)與鋁塑膜熱熔密封粘合在一起防止漏液。

    聚合物鋰電池

    一、聚合物鋰電池極耳分類

    1.按極耳金屬帶材質:

    ①鋁(Al)極耳:一般用作正極極耳,如果電池為鈦酸鋰負極時,也用作負極極耳。

    ②鎳(Ni)極耳:用作負極極耳,主要用在數碼類小電池上,例如:手機電池、移動電源電池、平板電腦電池、智能傳遞設備電池等。

    ③銅鍍鎳(Ni—Cu)極耳:用作負極極耳,主要應用于動力電池和高倍率電池。

    聚合物鋰電池極耳

    2.按照極耳膠(國內市場):

    ①黑膠極耳:一般用在中低端數碼類小電池上。

    ②黃膠極耳:一般用在中低端動力電池和高倍率電池上。

    ③白膠極耳:一般用在高端數碼電池、動力電池和高倍率電池上。

    聚合物鋰電池極耳膠

    3.極耳的成品包裝分為:

    ①盤式極耳(整條金屬帶通過設備加上膠片后整條的卷繞成盤),用在自動化生產產線

    ②板式極耳(金屬帶加上膠片后裁切成單個的,然后成排擺放用兩片薄透明塑料片夾在中間),用于普通生產產線。

    聚合物鋰電池極耳成品包裝

    二、聚合物鋰電池極耳金屬帶材質

    聚合物鋰電池極耳金屬帶材質

      1.AL1050鋁合金為純鋁中添加少量銅元素形成,具有極佳的成形加工特性、高耐腐蝕性、良好的焊接性和導電性。

      2.TU1為無氧銅,氧和雜質含量極低,純度高,導電導熱性極好,延展性極好,透氣率低,無“氫病”或極少“氫病”;加工性能、焊接、耐蝕耐寒性均好。

    三、各品牌極耳膠結構與性質

    1.各品牌極耳膠結構

      目前極耳膠都是從日本進口而來,極耳膠生產技術難點是:PP材料的分子量要控制在一個比較窄的范圍內,目前國內的技術生產出的PP膠還達不到要求。

    各品牌聚合物鋰電池極耳膠結構

      極耳膠結構:極耳膠一般由三層材料熱壓在一起而構成,除凸版及昭和制造單層改性PP構成及騰森制造五層極耳膠以外。一般極耳膠由中間骨架層及兩表面改性PP層構成,兩表面的改性PP材質相同。日立和騰森為了追求超高的粘合層與金屬帶的粘合強度,兩個表面的改性PP材質不同,一面是親金屬性改性PP,另一個表面是親塑性改性PP。這種極耳膠,制作極耳時一旦極耳膠表面用反了,則必定會造成電芯漏液氣脹事故。

      目前國內市場上,極耳制造所使用的極耳膠分為白膠、黑膠、黃膠和單層膠。其中高端電芯客戶大多采用單層凸版80μm和50μm白膠。一般中低端客戶采用DNP黑膠和DNP黃膠。三層結構的白膠在日本和韓國大量采用。單層白膠在日韓電芯公司用的極少,基本都用三層結構白膠。

    2.各品牌極耳膠性能

      DNP黃膠結構為中間功能層UHR(為無紡布結構),表面兩層為改性PPa。

      UHR層厚度為14g/m2≈12μm,表面改性PPa厚度為44μm。

      UHR熔點為310~340℃,PPa熔點為147℃。

      黃膠極耳有分層的危險。但黃膠極耳的封裝條件比白膠容易調節。前期日本極耳膠供應商也提到黃膠的不足,表現為三點:

      ①極耳膠是由中間一層UHR和表面兩層改性PP膠熱壓在一起的。

      ②中間層無紡布,水分會從無紡布中通過毛細管滲透作用引入到電池內部,使得電池發鼓氣脹。  

      ③無紡布容易分層,熱壓效果不好,電芯使用時間或擱置時間長了容易造成漏液。

      DNP黑膠結構為中間功能層PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)薄膜,表面兩層為改性PPa。PEN層厚度為12μm,表面改性PPa厚度為44μm。PEN熔點為265℃,PPa熔點為147℃。黑膠其功能層PEN和PP層為不同物質復合,存在分層風險,高端客戶一般不采用此膠。

      白膠:白膠又分為單層白膠、三層白膠、五層白膠。

      單層白膠一般由一層改性PP構成,類似于初期的鋁塑膜內層,熔點在140℃以上,與鋁塑膜的內層CPP熔點接近。

      三層結構白膠表面兩層改性PP和中間骨架層PP經共擠制得,不存在分層風險,高端客戶及動力電芯一般都采用此類極耳膠。

    聚合物鋰電池極耳膠性能

    四、各種極耳膠性能比較

    1.黃膠極耳和黑膠極耳的比較

      DNP黑膠其功能層PEN和PPa層為不同物質復合,界面多,經過電解液浸泡后本身會分層剝離。PEN熔點為265℃,PPa熔點為147℃。且黑膠PPa層里還有3種不同融點的物質,黑色素:66℃,PE 105℃,PP167℃,界面更加不穩定。

      黃膠極耳功能層本身融點300℃以上,所以熱封時會更好操作。中間功能層改用了無紡纖維層代替原來的聚萘二甲酸乙二醇酯,界面融合較黑膠好,但仍然無法解決不同物質之間的徹底融合問題。黃膠由于本身PPa層技術的原因,在熱封后會變得異常堅硬,失去柔韌性,在封裝電池和后期加工(轉鎳、加板)時,易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產生漏液、氣脹等。

    2.黃膠極耳和白膠極耳的比較

      白膠采用三層具有不同功能的PP材料經共擠制得,其功能層熱封溫度較寬165~167℃,略低于電池封裝溫度(180-220℃),可以有效的防止切面短路問題,增大了電池封裝時可操作的溫度范圍,提高了電池生產的成品率。

      黃膠極耳由于本身PP層技術的原因,在熱封后會變得異常堅硬,失去柔韌性,在封裝電池和后期加工(轉鎳、加板)時,易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產生漏液、氣脹等,而白膠極耳由于3個功能層使用的材料屬于同類物質(PP類),在熱封后仍可以保持極高的柔韌性。

    3.白膠極耳和單層白膠的比較

      單層白膠類似于初期的鋁塑膜內層,因只有一個融點,熱封溫度超過融點則易導致完全熔解短路,熱封溫度在不足時則形成軟化,這將導致和鋁塑膜的CPP層不能完全融解聚合,電池容易漏液脹氣。三層結構的白膠極耳,由于外層采用與鋁塑膜內層類似的材料,保證了與鋁塑膜的融合,而表面改性PP與中間層PP之間的30℃以上的溫差具有更廣的熱封溫度,使封裝的操作性更強,保證了極耳膠與鋁塑膜之間的封裝可靠性。下表為谷口80μm厚三層白膠極耳與凸版會社80μm厚單層白膠極耳硬封封裝拉力測試比較:

    聚合物鋰電池白膠極耳和單層白膠的比較

    4.三層白膠極耳和三層或五層白膠(分正反面)極耳的比較

      如前所述,三層白膠極耳外層采用與鋁塑膜內層類似的材料,具有更廣的熱封溫度,保證了與鋁塑膜的融合,而3層PP間明顯的溫差使封裝的操作性更強。

      極耳膠表面分正反面的極耳膠極耳,如果在制作極耳的過程中用反了,則電芯在極耳膠處必然會發生漏液事故,國內已經發生多次此類事故。而如果嚴格控制極耳制作過程,不發生用錯極耳膠正反面的問題,其極耳膠與金屬帶之間的熔接強度比正常三層極耳膠極耳的要高。

      下表為谷口100μm厚三層白膠極耳與日立100μm厚三層白膠(分正反面)極耳及滕森105 μm厚五層白膠(分正反面)極耳軟封封裝拉力測試比較:

    鋰電池極耳軟封封裝拉力測試比較

    5.日立三層白膠和單層白膠

    日立三層白膠和單層白膠

    6.日立三層白膠和單層白膠DSC圖

    日立三層白膠和單層白膠DSC圖

    7.電池極耳生產流程(白膠)

      動力銅鍍鎳極耳:銅保證導電性;經過表面處理后鎳起到防止銅氧化的作用,如果要保證銅鍍鎳極耳的焊錫性,還需要對極耳的表面鈍化膜進行二次處理。市場上一些公司的極耳不進行二次處理也能勉強上錫,但極耳的耐電液腐蝕性差些。

    聚合物鋰電池極耳生產流程

      目前,在極耳工業生產中,鍍鎳主要采用電鍍鎳和化學鍍鎳工藝兩種,電鍍鎳層厚度1.8±0.3um,化學鍍鎳層厚度1.0±0.3um。

    8.動力極耳金屬帶削邊處理

      動力極耳的金屬帶厚度超過0.2mm時,其臺階厚度超過PP膠厚度,則金屬帶需做側邊削邊處理,否則易導致絕緣阻抗降低、產生脹氣漏液的風險。

    動力極耳金屬帶削邊處理

    五、聚合物鋰電池極耳的測試

    1.電解液浸泡后滲透測試

    聚合物鋰電池電解液浸泡后滲透測試

    2.電解液浸泡后熱封強度測試

    聚合物鋰電池電解液浸泡后熱封強度測試

    3.電解液浸泡后滲透測試

      參照:日本某EV電芯廠家對EV與ESS極耳的技術要求。

      電解液浸泡65℃×28天,極耳膠與金屬導體的玻璃強度要求>15N/15mm。

    聚合物鋰電池電解液浸泡后滲透測試

      總結:國內電動EV用極耳的耐電解液判定之最低標準為:

      ①85℃×24h電解液浸泡,極耳膠與金屬導體的玻璃強度PeelStrength >15N/15mm;

      ②85℃×24h電解液浸泡,滲透液不能侵入膠體內。

    4.彎折測試

      厚度<0.2mm時:鋁、鎳Tab≥7次;鍍鎳銅≥6次;

      厚度≥0.2mm時:鋁、鎳、鍍鎳銅Tab≥5次;

      符合EV動力應用的耐震、耐疲勞韌性測試。

    聚合物鋰電池極耳彎折測試

      ①銅鍍鎳動力極耳——鍍層密著性測試

      要求:鍍層無發黑。

      長時間大電流、行駛震動等情況下鍍層性能不足時會:

      電芯內部——鍍層脫落至極片——微短路——自放電;

      電芯外部——PACK焊接處鍍層松動——接觸內阻變大——or焊接處脫落。

    銅鍍鎳動力極耳鍍層密著性測試

      ②金屬極耳導體關鍵參數對比

    聚合物鋰電池金屬極耳導體關鍵參數對比

      ③盤式極耳——膠塊脆化程度測試

    盤式極耳——膠塊脆化程度測試

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    沙發
    | 2019-8-5 16:01 | 只看該作者
    厲害了 感謝樓樓分享

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