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大容量动力型锂离子电池的研制与生产_图文

第 +% 卷第 % 期

电池工业 !"#$%&% ’())%*+ ,$-.&)*+

%&&’ 年 - 月

大容量动力型锂离子电池的研制与生产
余国华, 肖 斌
( 苏州星恒电源有限公司, 江苏 苏州 #$%&$$ )

摘要: 介绍了大容量动力型 !"#$ 锂离子电池和高功率型 %& ’#$ 锂离子电池的产品设计、 技术指 标确认、 主要原材料的选择、 制造工艺过程和性能检测情况。两种型号产品经美国安全检测实验 室按照 ()!*+, 标准检测, 符合标准要求并取得 () 认证。 动力型 !"#$ 电池以 "& ’- 电流进行充 放电循环, 在 !"". /0/ 的条件下, 循环寿命 ’"" 次时能达到额定容量的 1". 。在 2+"3条件 下,以 "& ,- 电流放电至终止电压,放电容量可达额定容量的 ’+. 。高功率型 %& ’#$ 电池能以 以 !& ’- 电流进行充放电循环, 在 !"". /0/ 的条件下, 循环寿命在 电流放电 !14。 ,*& *-( ,""#) 仍能达到额定容量的 1". 。在 2+"3 条件下, 以 "& ,- 电流放电至终止电压, 放电容 !,"" 次时, 量可达额定容量的 1*. 。 关键词:动力电池; 电动自行车; 锂离子电池; 设计; 性能; 研制 中图分类号: ’()$#* ) 文献标识码: + 文章编号: $&&" , !)#-( #&&!) &# , &&!" , &!

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近几年来, 我国电动自行车发展很快, 每年增加 而小容量、 高比能量型的锂离子电池, 不能 $ Y - 倍,
收稿日期: #&&P , &) , -& 作者简介: 余国华 ( , 男, 湖北省人, 教授级高工。 $)Q& , ) <2’70,("6: ./ 012 , 415 U $)Q& , V 6 J5K=6 @B2H=EE2B*

满足电动自行车的使用要求, 在这样的背景下, 苏州 星恒电源有限公司在中科院物理所原有技术的基础 上,率先开发了电动自行车市场急需的大容量动力 型和高功率型锂离子电池,产品性能水平有较大提 高, 电池组重量和体积仅为铅蓄电池的三分之一, 在 !"
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电池工业 !"#$%&% ’())%*+ ,$-.&)*+

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生产技术上有突破, 取得了较大成果。 + +$ + 研制过程 产品设计

( ,)放电电流大。电动自行车电池相对电流大, 在设计上, 尽可能降低正、 负极板厚度, 增加极板片 数, 减小电流密度, 适应大电流放电的要求。 #$ #$ + 技术指标的确定 技术指标主要依据市场调查和主要用户的具体 要求确定, 但从大生产的角度出发, 希望以最少的品 种满足多种用途要求。所以, 在产品设计确定技术指 标时, 尽可能以一个典型产品满足多种用户要求。如 我们设计的电动自行车电池用典型产品 #%)* 电池 以相同的电芯,采用不同的串并联方式和串并联数 量, 就能满足多种型号电动自行车用电池的要求。 同时在设计上稍加改动,就又能成为高功率锂 离子电池, 满足混合电动轿车的使用要求。我们确定 的单体电池技术指标如表 # 所示。
表+ !"#$% & 单体电池技术指标

#$ #$ # 设计原则 ( 产品的设计一定要有市场观 #)市场观念原则。 念, 对现有市场进行分析, 预见未来的市场, 有目的、 有计划地引导消费市场。如电动自行车电池市场, "%& 以上都是铅蓄电池。由于铅蓄电池与锂离子电 池相比较, 存在体积大、 质量重、 寿命短、 污染环境等 固有劣势, 这一劣势将逐步为消费者所认识, 一定会 有部分消费者要购买锂离子电池,可以预见未来电 动自行车所用电池, 一定会有锂离子电池的市场。 ( 设计产品时一定要了 ’)用户要求第一的原则。 解用户的要求和想法,针对用户的要求进行完善的 设计。如目前电动自行车电池市场, 为什么很少使用 锂离子电池, 主要是二个问题: 一是用户担心大容量 锂离子电池的安全问题, 害怕爆炸和燃烧; 二是锂离 子电池价格太贵。所以, 在设计的时候, 一定要解决 好这两个问题, 如在设计中, 采用锰酸锂而不选用钴 酸锂或镍酸锂来作为正极材料,就是因为锰酸锂价 格便宜, 且安全性好。 #$ #$ ’ 设计方案确定 电动自行车用锂离子电池与手机用锂离子电池 比较, 其不同点有: ( #) 容 量 大 。 手 机 电 池 容 量 最 大 不 超 过 #%%%()*, 而 电 动 自 行 车 一 般 需 要 #%%%% ()* 以 上。电池的容量大, 安全性问题也大, 就要求电池设 计时主要原材料都要选择安全性能最好的,从电池 内部保证电池使用安全。此外, 精心设计电池的安全 阀和保护电路, 确保一旦内部意外地没有控制住, 也 能保证使用安全。 ( 多个电池串联组合要求 ’)多个电池串联组合。 设计和制造的电池一致性、 均匀性好, 才能保证电池 组性能水平和循环寿命,同时设计上要考虑相关的 保护电路和平衡电路。 ( 电动自行车电池经常处于振动 +)耐冲击振动。 冲击状态。单体电池选用不锈钢外壳,机械强度好, 结构设计采用铆接压缩塑料技术,既坚固又达到正、 负极与壳体绝缘密封不漏液。电池组焊接串联, 粘结 固定使电池组结构紧密坚固牢靠,能耐冲击和振 动。
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!’% (%)’*+)"$ ,"-".%(%-/ 01 /+*2$% 3+4+0* )%$$/ 项目 一般动力型 #! 9 :! 9 #+; ’+!% +$ ! #% ’, ’$ ! ,$ ’ #% ’% < ’% = ;; % = ,; 高功率型 #! 9 :! 9 #,# ’,#% +$ ! !$ ; ’’ ’$ ! ,$ ’ #;% ’%% < ’% = ;; % = ,;

外型尺寸 5 (( 重量 5 6 额定电压 5 7 额定容量 5 )* 电池内阻 5 (! 放电截止电压 5 7 最大充电电压 5 7 最大充电电流 5 ) 最大放电电流 5 ) 工作 ( 放电 ) 温度 5 8 工作 ( 充电 ) 温度 5 8

+$ %

主要原材料选择( - 大关键材料选择) 且价格在各种 -./01’ 的热稳定性不及 -.23’ 1, ,

#$ ’$ # 正极材料 正极材料中是最贵的,不适合做大容量动力型锂离 子电池。 层状 -.4.1’ 有高比容量,价格比 -./01’ 低,比 -.23’ 1, 贵,但热稳定性和安全性较差,合成条件苛 刻, 难以制备, 也不适合制造大容量动力型锂离子电 池。 通过表面修饰改性的 -.23’ 1, 解决了电池高温 循环容量衰减问题,同时也提高了大电流放电水 平。这样, -.23’ 1, 成为大容量动力型锂离子电池正 极材料的最佳选择。 !"
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电池工业
#$ %$ % 负极材料

余国华, 等: 大容量动力型锂离子电池的研制与生产

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产品性能

目前已经商品化锂离子电池负极材料是石墨类 材料, 这类材料又分为人造石墨和天然石墨。 天然石墨的放电容量较高,达到 &’"()* + , 以 上, 价廉, 但循环性能差, 工艺过程不好控制, 生产难 以稳定。电动自行车电池要求循环性能好, 每天都要 进行充放电。所以, 目前天然石墨不宜采用, 其性能 有待提高。 人造石墨中以中间相碳微球 -.-/ 为代表,其 放电容量比天然石墨稍低, 一般在 &"" 0 &&"()* + ,, 成本高, 价格贵, 但循环性能好, 工艺适应性强 #$ %$ & 隔膜 隔膜性能的好坏决定了电池电极界面结构及内 阻, 直接影响电池的安全性、 大电流放电性能、 自放 电大小和循环寿命等性能。 锂离子电池隔膜一般有干法和湿法两种制造方 法, 湿法一般为相分离法, 是单层 34 膜。 干法又称拉 伸致孔法,一般为 33 + 34 + 33 多层隔膜,具有强度 好、 自关闭温度较低、 安全性好等优点, 所以我们选 用这类隔膜。 #$ %$ 5 电解液 一般由高纯的电解质盐、 溶剂和添加剂组成, 其 性能水平直接影响电池的电气性能 ( 倍率特性) 、安 全性能、 环境性能( 温度特性) 和循环寿命。 我们选择了导电性好、无毒性的 67389 作电解 质, 选择环状结构 4.( 碳酸乙烯酯) 和键状 :-.( 碳 酸二甲酯) 混合液作有机溶剂。 还选择 ;.( 碳酸亚乙 酯) 作高活性成膜添加剂。 +$ 产品制造工艺流程 产品制造工艺流程如下:
1#2

计划动力蓄电池组测试基地检测 #$ 5$ # 国家“ !9&” 在 “ !9&”计划电动汽车重大专项总体组织的动 力电池综合评估中,研制的动力型锂离子电池系列 产品连续 % 年 ( 都通过了安全性 %""5 年和 %""’ 年) 能检测,检测前电池均进行正常充电。检测项目为: <)短路试验:以电阻小于 #"(! 的导线外部短路 电池不漏液、 不爆炸、 不燃烧; 经 #"(7=, >)挤压试验: 挤压后壳体破裂,内部短路,电压为 ";,电池不爆 炸、 不燃烧; 用 "& 0 ! 的钢钉垂直于电 ?)针刺试验: 池极片迅速贯穿, 并停留在电池中, 电池不爆炸、 不 燃烧; 电池不漏液、 不 @)过充试验: #. 电流充至 ’;, 爆炸、 不燃烧; 从 #$ ’( 高处跌落到木 A)跌落试验: 板上,电池不变形、不漏液、不破裂、不爆炸、不燃 烧。 在 C"D 搁置 %"(7=, 电池不变形、 不 B)加热试验: 漏液、 不破裂、 不爆炸、 不燃烧。 #$ 5$ % 美国安全检测实验室的检测 按 E6#95% 标准对电动自行车用 #")* 型和混合 电动轿车用 C$ ’)* 型单体电池进行检测,各项均符 除检测 合标准要求, 通过 E6 认证。E6 认证检测时, 新电池外,还检测已进行过多次充放电循环的旧电 池, 检测项目分为 & 类 F 项, 检测前对电池均进行正 常充电。 # 电气测试 <)短路:在室温和 9"D 两种环境下,分别以阻 值小于 "$ #! 的铜线对电池的正负极短路; 电池不爆 炸、 不燃烧, 外壳表面温度小于 #’"D 。 过充) : 以 &. 电流过充至 #";; >)非正常充电 ( 电池不爆炸、 不燃烧。 $ 机械测试 与“ 动力蓄电池组测试基地检测相 <)挤压: !9&” 同。 将电池平放, 把直径为 #’$ !(( 的钢棒 >)撞击: 放在电池中心,再让质量为 F$ #G, 的重物从 "$ 9#( 高度落到钢棒上; 电池不起火, 不爆炸。 最小平均加速度达到 C’ ! H ! 为重力 ?)加速度: 加速度, 下同。 I , 峰值加速度介于 #%’ 0 #C’ !, 对电 池各方向进行加速度检测, 电池不爆炸、 不燃烧。 以振幅为 "$ !((, 频率为 #" 0 ’’JK, 以 @)振动: #JK + (7= 的速率变化,对电池 & 个相互垂直方向振 动, 振动时间为 F" 0 #""(7=; 电池不爆炸、 不燃烧、 不 漏液。

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于批量生产, 我们选用人造石墨作为负极材料。

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! 环境测试 将电池置于烘箱中, 以( #)加热测试: $ % &) ’ ( )*+ 速度升温至 "$,’ 并保持 ",)*+ 停止;电池不爆 炸、 不燃烧。 电池在热循环室, -)热循环测试: .,)*+ 升温至 保持 01) 保持 &1) /,’ ( (.,)*+ 降至 &,’ ( (.,)*+ 降低至 2 0,’ ( 循环 保持 01) (.,)*+ 升至 &,’ …, 电池放置 / 天不漏液、 不爆炸、 不燃烧。 ", 次后, ( 模拟高度) : 在 ""4 567#, 3)低气压 ( &, % .) ’ 条件下, 贮存 51, 电池不爆炸、 不燃烧、 不漏液、 不泄 气。 % %$ + 产品性能测试结果 安全性 电池的短路温度特性、针刺温度特性、过充特 性、 过充温度特性、 撞击测试曲线分别见图 " 8 图 $。

%$ % 充电特性 各种电池不同倍率下的充电曲线见图 5 8 图 !。
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电池工业

余国华, 等: 大容量动力型锂离子电池的研制与生产

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放电特性 各种电池不同倍率下的放电曲线见图 # $ 图

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温度特性 电 池 在 不 同 温 度 下 的 放 电 曲 线 见 图 #$ % 图

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荷电保持能力 电池的荷电保持能力见图 #(。

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循环寿命 电池的循环寿命曲线见图 #& % 图 #’。

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批量生产 产品的一致性 产品形成批量生产, 首先应追求在制造过程中,

确保产品的均匀性和一致性,不能形成一批质量特 别好、 另一批特别差的局面, 为了达到各工序产品的 一致性, 我们从以下几个方面进行控制。 ( #)设备保证 为了保证电池的一致性, 特别是极板的一致性, 我们设计制造了内腔为 !))** 宽的自动涂布干燥 系统,购买了直径为 !))** 的大型辊压机,自己还 设计了极板切片机械化设备和极板包隔膜自动化设 备, 基本形成自动化程度较高的极板制造生产线, 避 免了很多人为操作上的不一致性,从而保证了极板 厚度的一致性、 载重量的一致性和外观的一致性。
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电池工业
( #)工艺保证

余国华, 等: 大容量动力型锂离子电池的研制与生产

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施。如提高极板合格率, 采取的主要措施是在设备调 整、 操作方法和修订合格标准等方面改进, 使极板合 格率提高 #,. 左右。 改善电池漏液情况, 主要措施是 在零部件尺寸设计、 原材料改进、 工艺参数修订等方 面, 电池漏液问题得到彻底解决, 使漏液率从百分之 几降到万分之几。 结束语 我们研制的大容量动力型锂离子电池,通过精 心设计,合理选择原材料,产品制造自动化程度高, 使产品具有体积小、 质量轻、 一致性好等特点。安全 性经美国安全检测实验室检测, 符合 /0-1"# 标准要 求, 取得 /0 认证。 还连续 # 年通过“ 动力蓄电池 !1$” 测试基地的安全检测。 动力型 -,23 电池 以 ,4 56 电流进行 充放电循 环, 在 -,,. %*% 条件下, 循环 5,, 次时能达到 !,. 的额定容量。在 7 ",8 条件下, 以 ,4 #6 电流放至终 止电压, 放电容量可达额定容量的 5". 。 高功率型 94 523 电池能以 #14 16( 电流放 #,,2) 电 -!:。以 -4 56 电流进行充放电循环, 在 -,,. %*% 条件下,循环寿命在 -#,, 次时能达到额定容量的 以 ,4 #6 电流放电至终止电 !,. 。在 7 ",8 条件下, 压, 放电容量可达到额定容量的 !1. 。 参考文献:
; - < 万传云 4 锂离子电池正负极材料市场发展趋势 ; = < 4 电池 工业, : #,,5 , -, ( 1) $1+ 7 $9-4

在设备保证的基础上还出现差异的情况下,就 在工艺上采取措施,如极板的分选和匹配和电池分 级与匹配, 确保出厂产品的一致性。 ( $)管理保证 公 司 贯 彻 通 过 了 %&’( 上海)挪威船级社 ()*+,,, 质量管理体系认证,加强了各工序质量管 理, 实现了产品质量可追溯性, 一旦用户反映质量有 问题的电池,都能从该电池的档案资料查清哪个部 门、 哪个工序、 哪个人的问题, 质量责任落实到人, 从 而加强了操作人员的责任心。加强职工操作的规范 管理和培训, 进一步保证产品的一致性。 -$ % 降低成本 降低成本是批量生产的关键环节,降低成本可 以提高企业经济效益,又能提高企业市场占有率的 竞争力, 所以降低成本也是企业生存永恒的主题。 ( -)材料消耗定额制定 降低成本首先要控制原材料的投入与产出,也 就是各工序尽可能以最少的原材料获得最多的合格 产品,这就要求精确制定产品的零部件在各工序材 料消耗定额, 对每个工序进行考核, 根据产品生产计 划, 限额发料, 建立节约原材料有奖, 超定额惩罚的 制度。根据奖惩情况定期修订定额。 ( #)提高产品合格率 在批量生产前, 一定要狠抓产品合格率, 我们重 点抓了提高极板生产的合格率和降低产品漏液率, 针对不合格的原因认真逐一分析,制订相应的措

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