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铝塑膜在软包电池中的应用

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2023/1/31 8:49:04

一、软包电芯介绍



电芯外包装使用铝塑膜作为包装材料的电芯;软包电芯采用热封装技术。


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二、铝塑膜介绍



铝塑膜需具有高阻隔性、良好的成型性、耐电解液性能;产品以外观分银膜或黑膜两类。产品结构如下所示


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三、铝塑膜国家标准


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四、检测方法



4.1 剥离强度(AL/CPP)



取宽15mm、长200mm长条形样,以200mm/min速度测试剥离力度。



4.2 电解液浸泡剥离强度



取宽15mm、长200mm的样品放入电解液中,恒温85℃,测试AL层与PP层的复合强度。(标准电解液EC:DEC:DMC=1:1:1,LiPF61mol/L)



4.3 二封强度



取宽100mm、长150mm样品封装成袋子,注入3g电解液,85℃恒温恒湿72h,倒出电解液封装(压力0.4-0.6MPa,温度180℃,时间4-5s)测试热封强度。



4.4 冲坑



样品(170mm*110mm)以不同深度成型(97mm*55mm),观察样品是否有破裂、凹槽、起麻点、分层现象。成型冲深度≥7mm。



4.5 水浴



将样品在冲坑机上冲坑后,放入温度60℃的恒温水浴,拿出来检测是否破裂、凹槽、起麻点、分层现象



五、铝塑复合膜



铝塑复合膜也叫铝塑包装膜(简称铝塑膜),铝塑膜属于复合材料,由三层构成:尼龙层、AL层与PP层。三层各有特性。


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尼龙层保证铝塑膜的外形,保证在制造成锂电子电池之前,膜不会发生变形,也起保护AL的作用。



Al层就是一层金属AL构成,保证铝塑膜骨架层。其作用是防止水的渗入。锂离子电池怕水份侵入,电池正负极片含水量都在ppm级。尼龙不防水,无法起到保护作用。而金属Al在室温下会与空气中的氧气反应生成致密氧化膜,导致水气无法渗入,保护电池内部。另外Al层在铝塑膜成型提供冲坑可塑性。



PP层是聚炳烯高分子材料,这种材料特性是在100℃温度下会发生熔化,并且具有黏性。所以电池的热封主要靠就是PP层在封头加热作用下熔化粘在一起,然后移去封头,降温可固化粘结。此外PP不会被电芯内部电解液溶解、溶胀等,是电芯内部环境直接保护和绝缘作用,可有效阻止电解液等与Al接触,避免其腐蚀。



六、干法和热法铝塑膜对比



铝塑膜根据制造工艺不同分为干法和湿法两种,干法工艺为在PP和铝层中间直接加粘结剂直接复合,采用绝缘粘结剂,无需高温处理帮防短路性能要好于热法工艺。且粘结剂本身延展性要好于PP层,不需要高温处理不影响成型。热法工艺是铝层和CPP层之前用MPP粘结,在一定温度下热压合成。高温下MPP中范德华力被破坏、老化、抗短路性能会急剧下降。同时,由于其分子结构被破坏,导致韧性降低,成型过程中容易破裂。下图为干法和热法结构对比。


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6.1 性能对比



(1)干法的优势在于冲深成型性能,防止短路性能,外观(杂质、针孔、鱼眼少),裁剪性能好。另外防电解液和隔水性良好。



(2)热法优势在于耐电解液和隔水性方面,其冲坑深成型性能差,防短路性能差,外观差,裁剪性能差



6.2 制造方法对比



(1)干法膜:采用CPP熔融温度一般比热封高,约162℃。Al和CPP之间用粘结剂粘合,直接压合而成。



(2)热法膜:热法的CPP一般采用较低的熔点CPP,其熔融温度在140℃左右。Al和CPP间用MPP粘结,然后再缓慢升温升压条件热合成,制作过程过。并且由于长时间高温烘烤作用使Al脆化,导致冲深性能降低。



注:两款铝塑膜CPP熔融温度存在较大差异,所以干法封装温度一般比热法温度高10-15℃。



七、铝塑膜成型工序



软包电池可根据客户需求设计成任意形状和尺寸型号,娄外形尺寸设计好后,需开相应的模具让铝塑膜冲压成型。此成型工序也作冲坑。简单说,就是模具在压力作用下,在铝塑膜上冲出一个能够装卷芯的坑。如下示意图


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铝塑膜冲好并裁剪成型后,一般称为Pocket袋。一般在电芯较薄时候选择冲单坑,在电芯较厚时候选冲双坑,因为一边变形量太大会突破铝塑膜变形极限而导致破裂。


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八、软包电池顶封和侧封工序



顶/侧封是软包电池的第一道封装工序。顶/侧封实际包含两个工序,顶封和侧封。首先要把卷绕好的卷芯放到冲坑里,然后沿虚线位置将包装膜对折,如下示意图。

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封装效果如下所示,CPP残存70-80%为最佳,如下示意图。

下图为铝塑膜装入卷芯后,需要封装的几个位置,其中包括顶封、侧封、一封区和二封区,下如示意图


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(1)把卷芯放到壳中,将顶封对齐后,将其放到夹具中,在顶侧封机里进行顶封与侧封。



(2)顶侧封机一般有4个夹具,左边是顶封、右边是侧封。封装时两个封头温度(硬封在180-190℃),压力0.3-0.5Mpa,时间3-5s,上下封头压合在铝塑膜上,铝塑膜的PP层在温度压力时间作用下就熔化粘合在一起,完成顶侧封工序。



(3)侧封简单,直接将PP层与PP层粘合,需要控制封印厚度。



(4)顶封是软包较难的一个制造工艺,许多电芯漏液情况主要发生在顶封工序。顶封区域显示,顶封主要是封信极耳,极耳是由极耳胶与金属组装成,极耳也是通过极耳胶与铝塑膜PP层粘合的。



(5)极耳胶和铝塑膜PP熔化粘合,冷却固化形成封装,需要控制封印厚度以免顶封漏液。



九、软包电池顶封简述



顶封分为硬封和软封,依电池厂家工艺而定。



9.1 软封工艺



软封主要是封头上有软介质,一般是下封头采用硅胶材质导热进行封装。此工序简单便捷,不用考虑极耳厚度就可以封装,因为硅胶条的热传导能力不能金属封头。因而在软封头一侧实施温度补偿,一般温度较硬封头高10-15℃。软封头缺点就是封印不美观,易造成电芯漏液



上封头:铜(粘贴铁氟龙)



下封头:铜+硅胶条(下封头放硅胶条厚度0.5-1mm和铁氟龙)


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9.2 硬封工艺



硬封直接上下封头采用铜质材质传热,并开有极耳凹槽,具体槽深依不同规格型号极耳定。封头的平整度对顶封至关重要。再者是对温度、压力、时间的控制,封印厚度控制是直观检测顶封效果的。


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十、软包常用极耳胶简述



10.1 凸版单层白胶



熔点140℃,封装温度较窄,封装难以控制,一般自动化程度高的工厂使用。较适合硬封工艺。



10.2 凸版3层白胶



白胶结构是多层薄膜共挤成,热封层/高温阻断层/热封层。热封层与高温阻断层均属于同物质。即为CPP层通过改性得到PP层,与铝塑膜CPP层相聚合,为同物质,其熔点相同不分层。(缺点:纯PP材质熔点不高,160℃,导致其高温阻断层温度较黑/黄胶低)



厚度:100um±10um



结构:三层PP/CPP/PP



熔点:130-137℃ / 162-167℃ / 130-137℃



10.3 DNP黑胶



热封PP/PET 或PEN / 热封PP层,功能层和PP层为不同物质复合,界面多,经封装或电解液浸泡易分层。其黑胶的热封PP里面含有3种熔点不同物质。黑色素:66℃,PE 105℃,PP 137℃,界面不稳定。



厚度:72±10um,100±10um



结构:三层 PP/ PEN/ PP



熔点:137℃/ 265℃/ 137℃



10.4 DNP黄胶



黄胶本质上是黄胶的改良品,结构与黑胶相同。热封PP/无纺布 / 热封PP,PP层为同种CPP改性PP层。主要是依靠功能层无纺布,在热封过程中不流动,且骨架层耐高温,封装温度高,普遍使用。



厚度:100±10um



结构:三层 PP/ 无纺布/ PP



熔点:130℃/300℃/ 130℃



综上可知,黄胶极耳有分层影响,但黄胶极耳封装条件比白胶容易调节,黄胶极耳功能层本身熔点300℃以上,所以热封时好操作。黄胶不足表现以下3点



(1)极耳胶是由中间一层无纺布和表面两层改性PP胶热压在一起的,有界面存在



(2)中间无纺布,水分会从无纺布中通过毛细管效应渗透进入电芯内部,使电池气胀



(3)无纺布易分层,热压效果不良,电芯使用时间或搁置时间过长容易造成漏液。



(4)DNP黑胶结构中间功能层PEN膜,骨架温度较高,封装容易,易操作。但黑胶功能层PEN和PP为不同物质复合,存在分层风险,商端客户一般不采用此胶。



(5)三层结构白胶表面两层改性PP和中间层骨架PP共挤制得,不存在分层风险,高d客户及动力电芯一般采用此胶。



10.5 顶封温度



铝塑膜需要较好的封装效果,较宽的封装温度。封装温度与铝塑膜采用CPP材质直接相关。



干法铝塑膜推荐封装温度



硬封:温度180-190℃,压力0.3-0.5Mpa,时间3-5s



软封:上封头185-195℃,下封头200-220℃,压力0.3-0.5Mpa,时间3-5s



十一、软包电池注液和预封工艺



软包电池在顶侧封后,需要做X-RAY检查其卷芯平行度,然后干燥除水份。干燥后再进行注液和预封工序。


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电芯在侧封完成之后,就只剩下气袋一边开口,就口就是用来注液的。注液完成后,需要马上进行气袋预封,也叫作一封。一封原理与侧封相同,一封完成后,电芯内部就是与外部环境隔绝。后续进行化成工序。化成过程中会产生气体,气体会流向气袋。有些电芯厂会使用夹具化成,这样气体会被充是民挤到气袋中,同时SEI界面也更佳。



在化成后有些电芯,特别是厚电芯,由于内部应力较大,可能会产生一定变形。所以有些电芯厂在化成后有夹具整形工序(冷热压工序),也叫夹具Baking(烘烤)。



十二、二封工艺



在化成过程中产生的气体,我们要将气体抽出再进行第二次封装。分2个工序,Degassing(排气)与二封,还有后面一个剪气袋工序,一般同时进行。


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二封时,首先由铡刀将气袋刺破,同时抽真空,这样气袋气体与一部分电解液被抽出。然后马上用二封封头在二封区进行封装,保证电芯的气密性。最后把封装完的电芯剪去气袋,一个软包电芯基本成型。二封是锂离子电池最后一道工序,因为二封边上铝塑膜会残留电解液,其在封装时候温度较侧封边高10-15℃。



注:二封边没封好易出现漏液胀气等现象。



二封剪完气袋需要进行裁边与折边,就是将一封边与二封边裁到合适宽度,然后折叠,保证电芯不超标准。


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