XX信息工程学院毕业实践报告：锂电池生产的调查报告.doc

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1、 长沙民政职业技术学院 2012届 毕 业 实 践 报 告 院 别：电子信息工程学院 系 业：智能电子工程系 班 级：电子0934 2012年5月6日 目 录 第一章产品状况及市场分析.4 1.1.锂电池的简介.4 1.1.1什么是锂电池.4 1.1.2锂电池的构造.4 1.2 锂电池的市场分析.4 1.2.1锂电池的应用.5 1.2.2锂电池的市场前景.5第二章锂电池的生产工艺状况.6 2.1锂电池工作原理.6 2.2锂电池的生产.7 2.2.1前工序.8 2.2.2专配段.9 2.2.3后工序.10 2.3次品锂电池及其原因.11第三章生产过程中遇到的问难题及建议.13 3.1浪费问题.1

2、3 3.2安全问题.13 3.2.1毒性问题.14 3.2.2火灾爆炸问题.14第四章实践总结.15第五章谢辞.16第六章参考文献.17 锂电池生产的调查报告 刘茜 杨琼 蒋志伟 0919013409 0919013422 0919013428 指导老师：谭刚林 苏宏艮【摘 要】：随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。在各种电化学体系的电池中，锂电池因其性能好体积小等优越性脱颖而出， 成为当今主流。本文主要介绍了锂电池的市场情况及其生产工艺，同时也会针对产线生产指出其中存在的问题和建议。 【关键词】:锂电池 市场前景 爆炸

3、 第一章 产品状况及市场分析1.1锂电池简介1.1.1什么是锂电池 简单而言，锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池.锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。通常情况下，人们所说的锂电池是指锂离子电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应，放电。但是由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，当时锂电池长期没有得到应用。随着随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备

4、日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。1.1.2锂电池的构造 锂电池主要有两种结构：圆柱形和方形。（如下图所示）。成：正极、负极、隔膜、电解液、正负极端子（正负极耳）、外壳。正极材料主要是钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴酸锂等及其混合物，负极主要是碳素材料，如石墨。隔膜是聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或两者的复合膜，是锂电池不可或缺的一部分。隔膜主要用来隔开锂电池的正负极，一面是铜箔上涂负极料，一面铝箔涂正极料。正负极之间用隔膜隔开，正负极材料穿透这个隔膜来放电的。电池是否能正常运作，隔膜起着关键作用。隔膜一旦破损，电池就相当于短路，很有可能会发鼓。这就是所谓的

5、胀气（大肚子）。常用的锂离子电池电解液，一般是有机溶剂和电解质（锂盐）组成。现阶段广泛应用的溶剂为碳酸酯系列（包括环状碳酸酯如 EC 和PC 和链状碳酸酯如 DMC、EMC） 等。电解质是锂电电解液必不可少的组成部分，目前电解质有高氯酸锂（LiClO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LIBF4）等，其中六氟磷酸锂具有良好的导电性和电化学稳定性，是目前主流的电解质。外壳的主要材料包括钢壳、铝壳、铝塑膜。我们在车间实习时，见到的锂离子电池外壳大多是铝塑膜。其实真正完整的电池外壳还应加一层包装纸，不仅美观，还标注了电池的主要指标参数。 方形电池 圆柱形电池1.2锂电池的市场分析1.2.1锂

6、电池的应用 锂电池最早出现于伟大发明家爱迪生之手，不过由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，当时锂电池长期没有得到应用。随着随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。与其他电池相比，锂电池具有很多优点。其主要优点是能量高，寿命长，重量轻体积小，而且绿色环保，这些特性就决定了锂电池必将广泛应用于各种移动电器设备中。最早得以应用的是锂亚原电池，用于心脏起搏器中。由于锂亚电池的自放电率极低，放电电压十分平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。其次是锂锰电池。锂锰电池一般有高于3.0伏的

7、标称电压，更适合作集成电路电源，广泛用于计算机、计算器、手表中。 现在，锂离子电池大量应用在手机、笔记本电脑、电动工具、电动车、路灯备用电源、航灯、家用小电器上，可以说是最大的应用群体。1.2.2.锂电池的市场前景 如今，锂电池在市场占有很大的份额，并且市场前景很可观。随着锂电池应用的迅速普及，整个行业迎来了前所未有的发展机遇。现如今已有不少外资进入中国市场。有业内人士曾说过：中国目前已成为世界最大的锂电池销售市场，而随着电动汽车的发展，锂电必将成为最具前景的产业之一，未来几年也将在中国出现爆发式增长，抓住了中国市场也就抓住了机会。先前，铅蓄电池在电池行业一直占有很大的市场。但由于其污染问题没

8、有妥善解决之法，近年来市场份额急剧缩水。反观之锂电池作为公认的理想化学能源，而且价格逐步降低，迅速受到市场的青睐。现如今，锂电池的市场前景多寄望于电动汽车的发展上。虽然电动汽车尚无市场，但电动汽车科技发展“十二五”专项规划已经正式发布,更明确表明了我国新能源汽车发展方向.一旦电动汽车在技术进步以及产业化工作中都取得了相当大的进展，锂电池将占据电动车市场大半江山，也必将在电池行业独领风骚。 第二章 锂电池的生产工艺状况2.1锂电池的工作原理 众所周知锂电池的工作原理就是其充放电原理。锂电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，常见的主要成分有LiCoO2（钴酸锂） 。负极大多是碳。当对电池进行充电

9、时，电池的正极上有锂离子生成。在前面我们提到过，正负极之间有一层隔膜，生成的锂离子经过电解液和隔膜运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。其充电过程的化学反应如下：正极上发生的反应：LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli+Xe(电子)负极上发生的反应为6C+XLi+Xe=LixC62.2锂电池的生产工艺 任何产品的生产工艺都是由其原理

10、和构造而定的。锂电池由、正极、负极、隔膜、电解液、正负极端子（正负极耳）、外壳等六部分组成，这其中的每一部分都有其特定的制作过程。锂离子的生产工序比较繁琐，但并不复杂，这些工序环环相扣，缺一不可。它大致可以分为前工序、装备段、后工序。不言而喻，前工序为准备阶段。2.2.1前工序 前工序主要包括：搅拌、涂布、冷压、分条。搅拌是制作正负极浆料的主要步骤。正负极是分开搅拌的。制作正极浆料时，将正极的主要材料（钴酸锂）与粘结剂（PVDF）及其专用溶剂混合在搅拌机内高速均匀搅拌。其料配制是一个关键点。1.溶液配制：a) PVDF(或CMC)与溶剂NMP（或去离子水）的混合比例和称量；b) 溶液的搅拌时间

11、、搅拌频率和次数（及溶液表面温度）；c) 溶液配制完成后,对溶液的检验:粘度(测试)、溶解程度(目测)及搁置时间；d) 负极:SBR+CMC溶液,搅拌时间和频率。2.活性物质:a) 称量和混合时，监控混合比例、数量是否正确；b) 球磨：正负极的球磨时间；球磨桶内玛瑙珠与混料的比例；玛瑙球中大球与小球的比例；c) 烘烤：烘烤温度、时间的设置；烘烤完成后冷却后测试温度。d) 活性物质与溶液的混合搅拌：搅拌方式、搅拌时间和频率。e) 过筛：过100目（或150目）分子筛。f) 测试、检验：固含量、粘度、混料细度、振实密度、浆料密度。搅拌机(如图1）内有一根螺旋钢管，一般是由这根钢管自转或者自转加公转

12、，从而带动浆料转动.搅拌机的转动速度对浆料的质量有很大的影响。以402035型号的锂电池为例，其公转速度一般为20/30rmp每分钟。搅拌机的底端有根水管通向外部。搅拌机内的温度就是由水管的水流大小控制调节的。在车间里，经验丰富的老员工可以直接观察浆料的粘度和有无气泡来判断浆料的质量。涂布就是将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔表面，烘干，分别制成正负极极片。涂布（如图2）最关键的就是涂抹均匀，无起皱破损的现象。制好的极片要达到以下效果：a) 比重(片厚)的确认；b) 外观:有无划线、断带、结料（滚轮或极片背面）是否积料过厚，是否有未干透或烤焦，有无露铜或异物颗粒。这主要是要控制好涂辊的转速及刮刀间

13、隙。冷压就是对涂布好的涂膜进行加工冷却，接着就送去分条。分条没有多大工艺，主要就是把涂膜放入分条机内均匀切割成规定的尺寸。这些工序做完后，一颗电池正负极初步制成。搅拌机（图1）如图所示，搅拌机内几根螺旋钢管转动搅拌，外接水管控制水温，旁边仪器设置参数涂布工作现场（图2）2.2.2装配阶段专配阶段包括：焊接/贴胶/刷粉、卷绕、冲坑、顶侧封、注液。这里的焊接是指将正负极的极耳分别与之焊接起来。在产线上，正极极耳一般使用超声波焊接，这样既能提高生产效率，又能保证质量。正极极耳为铝条，呈白色。铝条边缘应与正极极片平齐。负极极耳为镍条，呈金黄色，直接用点焊机点焊，镍条右端与负极偏右侧对其，其末端与极片边

14、缘平齐。焊接之后就贴绿胶以防短路。卷绕是指按正极片隔膜负极片隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕机自动卷绕成电池极芯。不同型号的电池，其隔膜卷纸的规格各不同，在卷绕时要选用合适的材料。在这道工序，正负极边缘需平齐，极耳不应露出贴胶部分。所谓冲坑就是给电池极芯制作一个外壳模型。不同型号的电池，其外壳尺寸形状也随之不同。但其外壳大多是用铝塑膜制成。不过在这里要特别注意，呈现银白色的那一面作为里层，颜色稍显暗淡的一面为外层。冲坑之后就是将电池芯放入制作好的外壳里，封口。这一工序称为顶侧封。不同外形的电池其顶侧封的位子也不同。以圆柱形电池为例，它将封住铝塑膜模型的左右两侧。因为铝塑膜制成的外壳模型只不是两个

15、上下对称连在一块膜上的半圆柱体空心模型。在顶侧封时，经验尚缺的工人容易把电池芯放反，导致正负极错位。另外，要把握好铝塑膜在侧封机内的时间，时间过长，容易烫坏电池等;反之则没完全密封。接下来就是真空注液，封顶。注液时需注意电解液的分还有手套箱内的温度与湿度。每一枚注完液的电池都将进行电子称量，对电解液多取少补。顶侧封工作现场（图3）2.2.3后工序后工序包括：常温/高温静置、热冷压、化成、抽真空、容量、OCV及分组。这些工序主要靠设备自动完成。静置热冷压过后，锂离子外包装必须平整无褶皱等。静置时间不宜过长，他会对电池的容量及其性能都有一定影响。化成就是对刚制造出来的锂离子电池进行第一次小电流充电

16、，充电的目的是为了使负极表面形成一层SEI膜，该层膜对锂离子电池的性能有重大影响，现在化成主要发生于锂离子电池的负极。只有经过化成，电池被激活，才会具有储电能力。分容就是将化成好的电池按照1C放电容量进行分类，以适合不同的容量需求。分容的时间与分容电流大小成反比。一般而言，1c需要1小时。随后便按OCV(开路电压）分类。不同容量的电池对应不同的开路电压。（以下是剩余容量与开路电压的关系）： ocv与容量关系表剩余容量100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%开路电压(单位：V)4.24.063.983.923.873.823.793.773.743.683v最后一道工序

17、便是给电池最后一层包装。很多方形的电池没有这步。这里也挺简单的，就是将包装纸正确的套在电池外部，然后使用热吹风一吹，便可以了。外包装主要是起了美观和标注的作用。化成工作现场 2.3次品锂电池及其原因 锂离子电池的基本功能主要包括四个方面：密封、绝缘、导电、化学作用（化学反应和离子扩散）。电池的品质异常时会损坏或是上述功能丧失。这些电池统称不良品。问题可能来源于锂离子电池的制造过程，也可能来源于其他方面如充电故障或锂离子电池受到冲击等因素。其常见不量项目及原因主要如下：1. 容量低2. 产生原因：a.附料量偏少； b.极片两面附料量相差较大； c.极片断裂；d.电解液少；e.电解液电导率低；f.

18、正极与负极配片未配好；g.隔膜孔隙率小；h.胶粘剂老化附料脱落； i.卷芯超厚（未烘干或电解液未渗透）j.分容时未充满电； k.正负极材料比容量小。2.内阻高产生原因：a.负极片与极耳虚焊； b.正极片与极耳虚焊； c.正极耳与盖帽虚焊；d.负极耳与壳虚焊； e.铆钉与压板接触内阻大； f.正极未加导电剂；g.电解液没有锂盐； h.电池曾经发生短路； i.隔膜纸孔隙率小。3.电压低产生原因：a.副反应（电解液分解；正极有杂质；有水）； b.未化成好（SEI膜未形成安全）；c.客户的线路板漏电（指客户加工后送回的电芯）； d.客户未按要求点焊（客户加工后的电芯）；e.毛刺； f.微短路； g.负

19、极产生枝晶。4.超厚产生超厚产生原因：a.焊缝漏气; b.电解液分解; c.未烘干水分;d.盖帽密封性差;e.壳壁太厚; f.壳太厚;g.卷芯太厚(附料太多；极片未压实；隔膜太厚)。5.导电性能差产生原因：a.未化成好（SEI膜不完整、致密）； b.烘烤温度过高粘合剂老化脱料； c.负极比容量低；d.正极附料多而负极附料少；e.盖帽漏气，焊缝漏气； f.电解液分解，电导率降低。6.爆炸产生原因：a. 分容柜有故障（造成过充）；b.隔膜闭合效应差；c.内部短路。7.短路产生原因：a.料尘；b.装壳时装破；c.尺刮（隔膜纸太小或未垫好）；d.卷绕不齐；e.没包好；f.隔膜有洞；g.毛刺8.断路。产

20、生原因：a.极耳与铆钉未焊好，或者有效焊点面积小；b.连接片断裂（连接片太短或与极片点焊时焊得太靠下） 这些不良品电池大部分是制造过程中工人操作不当造成的。有的可以再拿回去加工修改，但是有的却是直接报废。若要减少不良品的数量，最主要的还是要改善生产工艺，提高工人的技术。 第三章 生产过程中遇到的问题3.1浪费问题 我们在产线也算呆过一段时间。据我所观察，那里最大的问题便是浪费：人力浪费和资源浪费。人力浪费主要出现在前工序分条那部分。我认为，操作分条机一人足以，没必要安排三人放此。其次在专配段冲坑时造成资源浪费。经过冲坑机出来的铝塑膜，因其四周还有大部分留白，需要经过裁钢机剪裁，会去掉大部分铝塑

21、膜。我觉得可以在冲坑前就在机内设置好所需铝塑膜的尺寸。这样既可以节约成本，也许还可以省去裁钢那一步骤。当然，也许工艺要求如此，不能随便改动。在生产中，锂电池的残次品也比较多，各种问题的都有。而且有部分次品的电池是不能再加工的，只能直接报废。这也造成了一种浪费。3.2安全问题锂离子电池已非常广泛的应用于人们的日常生活中，所以它的安全性能绝对应该是锂离子电池的第一项考核指标。对于锂离子电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件：1）短路：不起火，不爆炸；2）过充电：不起火，不爆炸；3）热箱试验：不起火，不爆炸（150恒温10min）；4）针

22、刺：不爆炸（用3mm钉穿透电池）；5）平板冲击：不起火，不爆炸；（10kg重物自1米高处砸向电池）；6）焚烧：不爆炸（煤气火焰烧考电池）。除了这些之外，电解液带有毒性也是一个安全隐患。3.2.1毒性问题 上面已经说过，电解液中一般含有六氟磷酸锂以及作为容济使用的碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙脂、碳酸丙烯酯。而六氟磷酸锂是有毒物质。其他的虽比较稳定，没有被列入有毒物质之列，但是可燃。六氟磷酸锂是电解液的重要组成部分。国内及国外出产的一些六氟磷酸锂没有说明其毒性，但据国际知名西格玛公司制定的化学品安全技术说明书，说明了其毒性。六氟磷酸锂为白色粉末，吸湿性强，遇水易分解。进入体内可损害健康；多次吸

23、入可产生积累的毒性效应，对呼吸道、眼睛、皮肤有一定的伤害，可能引起支气管炎、肺炎等疾病。再有是，六氟磷酸锂的分解物更是高毒性。在产线工作的工人，尤其是要接触到电解液的工人，工作时间长再加上倒班，身体更疲惫脆弱，对六氟磷酸锂的毒性几乎没有一点抵抗力。现在大部分工厂都要求工作现场保持干净干燥，特别是注液工序。但是在生产过程中，生产现场过于密封而注液工人过于密集，一旦电解液出现质量问题或是运输过程中电解液分解，或是夏季室温过高挥发量过高都可能是工人中毒。除了这些，车间里的环境不怎么好。锂离子部门算是好的了。在锂锰或是锂铔部门，里面的气味很刺鼻，一开始接触的人有的根本接受不了。3.2.2火灾爆炸问题

24、在车间里另一大安全隐患就是锂离子的火灾、爆炸了。锂离子爆炸在生产过程中出现频率并不低。锂电池生产过程中使用的主要原料，如石墨、铝箔、铜箔、钴酸锂等，在常温下，其化学性质是稳定的。有部分原料是有机可燃物，例如涂布的原料中产生的有机可燃气体，存在潜在的火灾危险。而工作现场一般是高温高燥的，更要注意火灾。另外，使用乙醇或是丙酮洗擦设备，也易着火。以乙醇为例，乙醇的闪点是12摄氏度，爆炸下限是3.3%（体积分数），乙醇遇明火可燃烧，甚至引起爆炸。电池爆炸的原因很多：1. 内部极化较大2. 极片吸水与电解液发生气鼓3. 电解液本身的质量性能问题4. 注液时注液量达不到工艺要求5. 装配过程中激光焊接密封

25、性能差，漏气6. 粉尘，极片粉尘易导致微短路7. 正负极片较工艺范围偏厚，入壳难8. 注液封口问题，钢珠密封性能不好导致气鼓9. 壳体来料存在壳壁偏厚，壳体变形影响厚度但最主要的原因是电池短路。电池短路我在车间是也遇到火好几次，那是因为正负极短接，只是引起一点小火花，并没造成爆炸。还有一次就是在给电池冲放电时，由于位置没摆放好，电池爆炸，冲放电的机器也冒烟起火。其实在我们还没到公司实习前，公司也曾发生一起较大的爆炸起火事件，整个车间被烧毁，幸好无人员伤亡。如此看来，爆炸火灾问题在企业生产发生的频率很高，但并不是没有办法避免的。在生产时，控制好工作现场的湿度、保证消防设备齐全、重视对员工安全意识

26、的培训等，那些爆炸等问题自然会慢慢减少的。 第四章 总结 经过近几个月的实习，我们由刚开始对锂离子的懵懵懂懂，到如今的慢慢了解。从锂离子的结构、工作原理再到它的生产工艺，这些都是在部门经理和车间工人的指导引领下步步深入认识。锂离子电池因其得天独厚的特性在市场的份额节节攀升，而且将会成为锂离子汽车的主要能源，其市场前景可谓颇好。但其幕后工作存在一定的问题。我们在生产线上工作的同时，除了学习锂电池的生产工艺等之外，更主要的是在学习的同时发现其中的问题，提出建议。如上文所说，锂电池在生产过程中最大的问题便是浪费问题和安全问题。浪费问题有着很大的人为因素，只要提高工人工作质量，就能得到很大的改善。至于

27、安全问题，除了要靠大家共同努力之外，还应保证车间设备完好。现在科技日益发展，相信只要以人为本，无论是在生产工艺，还是其安全隐患，一切都将会有很大的改善。 第五章 谢辞如今几个月的实习也将结束，我们将真正的离开校园。回想这三年来，有忧愁，但更多的是快乐。读书是快乐的，和同学在一起是快乐的。也许当初也会为了不上晚自习而想办法请假，会为了上讨厌的课而烦恼，同学朋友之间也会有些小摩擦。但经过几个月的实习，将近半年没见到过老师和同学，真的很还念。现在想想，以前讨厌的课也没那么无味，如果能再上课的话，我们一定会很认真的听课。三年来，老师在无形之中教会了我们很多，不仅是书本上的知识，更多的是教会我们自主学习的方法。在与老师同学的交往中，我们学会了怎样更好的为人处事。三年的大学生活，因为有老师，有朋友同学的陪伴而完整。在实习的这几个月里，有的同学结伴而去，也有的同学只身前去，但老师们的那份关心却是如影随形。从离去的那天，到现在回到学校，时不时会收到老师的问候。无论是工作上的问题，还是一些其他琐事，老师都会认真倾听解答。现在即将结束在学校的生活，在这里，我真诚的向老师们道一声谢谢，祝福你们心想事成，幸福快乐；也祝一起生活的伙伴们工作顺利，事业有成。 参考文献1.锂离子电池应用与实践 吴宇平戴晓兵马军旗程预江编著2.锂离子电池原理与关键技术 黄可龙，王兆翔，刘素琴 著 20083.工业安全与环保