鋰離子電池生產(chǎn)工藝.doc

目錄1設計的目的與任務21.1課程設計背景21.2課程設計目的與任務22設計的詳細內(nèi)容32.1原材料及設備的選取32.2電池的工作原理42.3電池的制備工藝設計42.3.1制片車間的工藝設計42.3.2裝配車間的工藝設計72.3.3化成車間工藝設計82.3.4包裝車間工藝設計92.4廠房設計103經(jīng)濟效益104對本設計的評述11參考文獻121設計的目的與任務1.1課程設計背景自從1990年SONY采用可以嵌鋰的鈷酸鋰做正極材料以來,鋰離子電池滿足了非核能能源開發(fā)的需要,同時具有工作電壓高、比能量大、自放電小、循環(huán)壽命長、重量輕、無記憶效應、環(huán)境污染少等特點,現(xiàn)成為世界各國電源材料研究開發(fā)的重點13。鋰離子電池已廣泛應用于移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等的電源,并在電動汽車技術(shù)、大型發(fā)電廠的儲能電池、UPS電源、醫(yī)療儀器電源以及宇宙空間等領域具有重要作用45 。正極材料作為決定鋰離子電池性能的重要因素之一,研究和開發(fā)更高性能的正極材料是目前提高和發(fā)展鋰電池的有效途徑和關(guān)鍵所在。目前,已商品化的鋰電池正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等,而層狀鈷酸鋰正極材料憑借其電壓高、放電平穩(wěn)、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點占據(jù)著市場的主要地位,也是目前唯一大量用于生產(chǎn)鋰離子電池的正極材料68。18650電池是指外殼使用65mm高，直徑為18mm的圓柱形鋼殼為外殼的鋰離子電池。自從上個世紀90年代索尼推出之后，這種型號的電池一直在生產(chǎn)，經(jīng)久不衰。經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前制備工藝已經(jīng)非常成熟，性能有了極大的提升，體積能量密度已經(jīng)提高了將近4倍，而且成本在所有鋰離子電池中也是最低，目前早已走出了原來的筆記本電腦的使用領域，作為首選電池應用于動力及儲能領域。1.2課程設計目的與任務如前文所述，在目前商業(yè)化的鋰離子電池中，很多廠家都選用層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2作為正極材料。其理論容量為274mAh/g，實際容量為140mAh/g左右，也有報道實際容量已達155mAh/g。本設計擬通過以LiCoO2作為正極材料的18650鋰電池電芯器件作為模型，從原料選擇、設計原理、制備工藝、封裝條件、工作情況等方面進行系統(tǒng)調(diào)研，并設計出相應的電池器件。設計者將通過查閱資料、課題討論、技術(shù)交流等方式，逐漸設計出合理、科學的18650鋰電池電芯，培養(yǎng)初步的科研思維和科研能力；通過這一綜合訓練，使我對實際的新能源產(chǎn)品有初步的、宏觀的認識和理解，為即將開展的畢業(yè)設計乃至實際生產(chǎn)工藝設計奠定必要的基礎。此次設計包括如下任務：（1）18650鋰電池電芯制備原料的選?。簩⒘谐鏊x原料的種類、選擇依據(jù)以及主要原料的使用技術(shù)要求；（2）闡明18650鋰電池電芯的工作原理（3）對18650鋰電池電芯的制備工藝進行設計：包括電池各部件的詳細制備流程（畫出流程簡圖）；制備方法及所用到的設備；畫出必要的設備裝置示意圖；制備過程中主要的工藝參數(shù)及其選擇依據(jù)；電池工作環(huán)境要求并闡明依據(jù)。（4）對18650鋰電池電芯生產(chǎn)廠進行設計，并評估其產(chǎn)能和經(jīng)濟效益。包括：車間設備布置和工廠總平面布置，成本利潤概算，投資評估。2設計的詳細內(nèi)容 本次設計的產(chǎn)品圓柱形18650鋰電池電芯如圖2-1所示。我們是按原材料及設備的選取生產(chǎn)車間工藝設計廠房設計綜合評估的順序來進行設計的。其中，生產(chǎn)車間工藝的設計為本次設計的重中之重，如下圖2-2所示。其余部分的設計如原材料、儀器設備、廠房等將在后續(xù)內(nèi)容中展開以及附圖中體現(xiàn)。圖2-1圓柱形18650鋰電池電芯 圖2-2 圓柱形18650鋰電池電芯生產(chǎn)流程2.1原材料及設備的選取 本設計選用的主要原料為LiCoO2 、石墨、乙炔黑、導電石墨、PVDF、NMP、MCMB、隔膜、電解液、鋁箔、銅箔、極耳、鋼殼、PVC等。主要儀器設備有真空混料機、間隙涂布機、碾壓機、極片連軋生產(chǎn)線、全自動分切機、全自動極耳焊接貼膠機、半自動卷繞機、全自動注液機、滾槽機、封口機、全自動清洗機、化成設備、全自動噴碼機、分容柜等。2.2電池的工作原理18650鋰離子電池主要包括正極、負極和電解質(zhì)，它利用鋰離子在正極和負極之間形成嵌入化合物的鋰狀態(tài)和電位的不同，通過電子的得失來實現(xiàn)充電和 放電過程。充電時，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極石墨，而放電時，Li+ 從 石墨脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，如圖2-3所示。反應式如下：正極反應：LiCoO2Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 負極反應：6C + xLi+ + xe- LixC6 電池總反應：LiCoO2 + 6C Li1-xCoO2 + LixC6在正極材料LiCoO2中，鋰基本是以離子狀態(tài)存在，而在負極石墨中，鋰基本上以原子狀態(tài)存在，因此在鋰離子和鋰原子之間存在較高的電位差。同時，鋰在正極材料中，由于鋰離子是嵌入到晶格中，因此離子性更強，從而表現(xiàn)出較高的輸出電壓。圖2-3 工作原理示意圖2.3電池的制備工藝設計2.3.1制片車間的工藝設計制片車間的工藝流程為：正、負極配料正、負極涂布正、負極對輥正、負極分切正負極烘烤。這是制作電池的第一個大環(huán)節(jié)，每道工序都很重要， 操 作不當，會直接影響產(chǎn)品的性能，增加殘次品的比率。為了企業(yè)的經(jīng)濟效益， 所 以對質(zhì)量要嚴格把控，現(xiàn)將工藝重點敘述如下：(1)確定電池的額定容量及用料量 設額定容量為2300mAh，正極加料比按鈷酸鋰:導電劑:粘結(jié)劑:制膠溶劑=100:0.77:1.35:34的比例配制。負極加料比按石墨粉:導電劑:SBR:CMC:制膠溶劑=100:2.1:4.2:1.7:92的比例配制。正、負極的配料儀器如圖2-5所示。 圖2-5 左、右分別為正、負極拌料儀器（2）正負極粉體過篩正負極粉體過篩是為了除去正負極材料中的金屬雜質(zhì)，主要為鐵。正極工藝：a、篩網(wǎng)目數(shù)，粉體150目、super-p 100目b、篩網(wǎng)外觀：篩網(wǎng)無破損，網(wǎng)目無干料及雜質(zhì)堵塞等現(xiàn)象。c、真空輸送管無堵塞、通氣不順，罐體清潔無污物、雜質(zhì)。負極工藝：a、篩網(wǎng)目數(shù)，粉體150目、導電劑 50目b、篩網(wǎng)外觀：篩網(wǎng)無破損，網(wǎng)目無干料及雜質(zhì)堵塞等現(xiàn)象。c、真空輸送管無堵塞、通氣不順，罐體清潔無污物、雜質(zhì)。（3）涂布工序涂布機、碾壓機如圖2-6、圖2-7所示。涂布工藝要求箔材外觀表面、切面平整，色澤均一，無明顯亮線、明顯凹凸點、暗痕條紋等，邊緣無明顯翹邊和褶皺，無掉粉，管芯無生銹。箔材按表1的要求進行選取，涂布厚度按表2進行設置操作。箔材要求箔材厚度箔材面密度箔材寬度銅箔102um8.750.4mg/c6102mm鋁箔162um4.320.4mg/c6002mm表 1敷料要求A面B面正極敷料量25.160.5mg/c21.160.48mg/c負極敷料量10.940.18mg/c11.040.18mg/c 表2圖2-6 涂布機 圖2-7 碾壓機 (4) 分切工序由于18650電池的直徑為18毫米，電池芯的直徑應控制在17.5-18毫米之間，因此，極片不能過長，否則卷成的電芯無法放入筒體中，極片過短會使電芯無法填滿電池筒體，造成安全隱患。鏗離子18650電池與鎳氫電池不同，它的蓋體時一個復合件，既有能在內(nèi)壓過高和過充時自動打開的安全閥，還有一個降低或終止充電的溫度系數(shù)電阻元件(CPTC)。因此，設計極片寬度時預留10-15毫米的空間，按以下工藝執(zhí)行。小片寬度：正極：560.1mm 負極： 580.1mm毛刺： 12um極片弧形度：負極：679mm長（一片）弧高0.68mm 正極：660mm長（一片）弧高0.66mm 圖2-8 2.3.2裝配車間的工藝設計裝配車間的工藝流程為：卷繞入殼滾槽極組烘烤注液激光焊封口。現(xiàn)將卷繞工藝設計如下：卷繞就是用隔膜把正負極極片隔開，卷裹在一起，為入殼做準備。在卷繞前，應對極片裁切進行正、負極片毛刺檢測，毛刺應小于等于12um；正、負極耳焊接拉力均大于等于15N；燙孔無變形；隔膜平整、無褶皺破損、依附芯孔壁、無反彈堵孔。卷繞時應注意對齊度：從卷芯邊緣方向，負極完全包住正極，尺寸要求應為10.7mm；寬度方向隔膜完全包住負極，尺寸要求應為 10.5mm。全自動卷繞機如圖2-9所示，卷好的成品如2-10所示，應無損傷毛刺等不良。其它工序儀器部分展示: 圖2-9 全自動卷繞機 圖2-10卷好的電芯 圖2-11 全自動注液機 圖2-12入殼 圖2-13滾槽 圖2-14烘烤圖 2-15封口 2.3.3化成車間工藝設計化成車間工序眾多，主要是檢測產(chǎn)品性能，分出等級。例如組裝后的電池，被給予一定的電流，使得電池正負極活性物質(zhì)被激發(fā)，最后使電池具有放電能力，這是化成工序的作用。又如電池經(jīng)過一定時間的儲存后，允許電池的容量及內(nèi)阻將有一定程度的變化，經(jīng)過了一段時間的儲存，可以讓內(nèi)部各成分的電化學性能穩(wěn)定下來，可以了解該電池的自放電性能的大小，以便保證電池的品質(zhì)，這就是老化工序的作用；化成車間工序雖然眾多（具體工序參照圖2-2），但電池的性能基本上已經(jīng)由前面的工序決定，所以分出等級顯得尤為重要。現(xiàn)重點介紹分容工序的設計。電池在制造過程中，因工藝原因使得電池的實際容量不可能完全一致，通過一定的充放電制度檢測，并將電池按容量分類的過程稱為分容，分容柜如圖2-16所示。一般情況下，Li-ion電池充滿電后開路電壓為4.14.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。通過對電池的開路電壓的檢測，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。通過測定產(chǎn)品的電阻和電壓的測定，對產(chǎn)品進行歸檔，按表3進行操作。圖2-16分容儀器1234電壓（V）4.1-42 4.1-4.2低于3.6 電阻 ()30-3535-40高于200是否合格合格合格不合格 不合格 表3本車間其它儀器部分展示：圖2-17全自動清洗機aaBAK A0118650C4 4VM9A01 000001AK A01圖2-18干燥 圖2-19涂防銹油aaBAK A0118650C4 4VM9A01 000001AK A01圖2-20全檢外觀 圖2-21噴碼2.3.4包裝車間工藝設計包裝車間的工序有：外觀全檢噴等級碼等級掃描檢驗包箱入庫。本車間的工序相對簡單，只需再次從外觀上以及等級掃描對前面分容工序分容進行核對，分類裝箱入庫。 圖2-22 噴等級碼 圖2-23等級掃描檢驗 圖2-24 包箱 圖2-25入庫2.4廠房設計 沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，產(chǎn)業(yè)集中，技術(shù)成熟，需求量大。但是由于廠家眾多，競爭壓力也大。而成都近幾年經(jīng)濟快速發(fā)展，鋰電行業(yè)才剛剛起步，場地價格也較沿海低，若將廠址選建在成都，用心經(jīng)營，必將趁勢凸起。評估本次設計需要3條生產(chǎn)線，一條生產(chǎn)線需要一棟5層的廠房（帶電梯），故本次設計需要三棟有5層樓的廠房（帶電梯，方便運輸物料）。廠房內(nèi)車間配制情況：制片車間和來料儲存間占一樓，裝配車間占二樓，化成車間占三樓和四樓的一部分，包裝車間占四樓剩下的一部分，五樓為成品儲存間和大會議室。另外，每層樓配辦公室。車間分布以及儀器擺放詳情詳見廠房車間分布簡圖。 3經(jīng)濟效益目前做鋰電的廠家盈利的主要目標市場為手機/筆記本電源，而新建的公司沒有技術(shù)經(jīng)驗、沒有管理經(jīng)驗，所以擬定在建廠的前幾年與有先進技術(shù)經(jīng)驗的廠家進行合作，貼牌生產(chǎn)，等到辦公司的經(jīng)驗豐富之后再自立品牌。預計投資收益見下表：序號項目名稱數(shù)據(jù)和指標一主要指標1總建筑面積100.00畝2總投資金額1622.82萬美元其中：建筑工程755,24萬美元設備及安裝費用466.43萬美元土地費用158.73萬美元二主要數(shù)據(jù)1年均銷售收入2594.40萬美元2年均凈利潤455.12萬美元3年銷售稅金及附加24.07萬美元4年均增值稅218.80萬美元5年均所得稅251.71萬美元4對本設計的評述在本次課程設計中，我暴露出了兩大缺點。第一，時間安排不當，其實老師早就把任務布置下來了，但是我卻遲遲不動筆，總覺得時間還早，當時間臨近時發(fā)現(xiàn)自己什么都還沒弄，搞得自己手慢攪亂，其實這個狀態(tài)肯定是做不好的。第二，文字編輯能力實在糟糕，辦公軟件應用能力差，這些都導致我事倍功半。鑒于者兩大缺點給我的痛苦記憶，我只好加油改掉它們了。盡管有很多不足，但是收獲也很多。課程設計是我們學習本專業(yè)課程后進行的一個十分重要的實踐性環(huán)節(jié)。在課程設計中，我需要查閱各種書籍文獻，讓我回顧了本專業(yè)方向所學的專業(yè)理論知識，培養(yǎng)了我綜合運用已學的基礎理論知識和專業(yè)知識來解決基本工藝設計問題的初步技能，全面分析考慮問題的思想方法、工作方法以及計算和編寫設計文件的能力。通過這一綜合訓練，我對鋰電行業(yè)有了更深刻的認識，從原材料制備到成品銷售，我都有了了解，并能部分敘述出來。鋰離子電池有很多種，從外形分，從正、負極材料分，從電解液分，都可以分出不同類型。通過這次的訓練，我對這些不同類型的鋰離子電池產(chǎn)品都有了宏觀的認識和理解，這將為我工作后的實際生產(chǎn)工藝設計奠定必要的基礎。參考文獻1 任旭梅,吳川,何國榮,等.鋰離子電池正負極材料研究進展J.化學研究與應用, 2000,12( 4):360- 3642 莊全超,武山,劉文元,等.鋰離子電池材料研究進展J.電池,2003,33( 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