中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：目前市場(chǎng)上鋰電池的封裝形式主要分為方形封裝、圓柱封裝以及鋁塑膜封裝。方形封裝和圓柱封裝主要以金屬外殼為主，包括鋁殼和鋼殼。鋁塑膜封裝主要應(yīng)用于軟包鋰離子電池的封裝。以鋁塑膜封裝的軟包電池主要應(yīng)用于3C領(lǐng)域，近年來(lái)逐步滲透到新能源汽車行業(yè)，為各個(gè)型號(hào)的汽車提供了安全、穩(wěn)定的動(dòng)力輸出。
隨著動(dòng)力鋰離子電池生產(chǎn)技術(shù)不斷提升和新型電池的研發(fā)不斷加快，國(guó)家對(duì)于動(dòng)力鋰電池的各項(xiàng)性能要求越來(lái)越嚴(yán)格，政府補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，補(bǔ)貼金額逐步降低，直至沒(méi)有補(bǔ)貼形成市場(chǎng)推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。優(yōu)勝劣汰是市場(chǎng)的法則，鋰離子電池的能量密度、安全性、成本等關(guān)鍵指標(biāo)必須受到嚴(yán)格的控制。在三種鋰離子電池中，軟包電池具有質(zhì)量小、內(nèi)阻小、安全性高、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力電池領(lǐng)域占有重要位置。
一、鋁塑膜簡(jiǎn)介
軟包鋰電池所用的封裝材料是鋁塑復(fù)合膜，簡(jiǎn)稱鋁塑膜。鋁塑膜的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)要求較高，目前國(guó)內(nèi)90%的市場(chǎng)主要被日本的DNP/昭和電工、韓國(guó)栗村等日韓企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)例如新綸科技、佛塑科技等公司，也正在加快鋁塑膜的開發(fā)和生產(chǎn)，但是與日韓企業(yè)相比仍有一定差距。鋁塑膜的厚度有不同規(guī)格，其結(jié)構(gòu)主要是由三種材料復(fù)合而成，由內(nèi)到外分別為CPP層、Al層、尼龍層，如圖1所示。
圖1.鋁塑膜的基本構(gòu)成
對(duì)裸電芯進(jìn)行封裝前，要進(jìn)行鋁塑膜的沖切，將鋁塑膜沖成所需的規(guī)格后，進(jìn)行電芯封裝。沖切凹坑的最內(nèi)側(cè)材料是流延型聚丙烯薄膜（CPP），其具有一定熔點(diǎn)，封裝時(shí)兩面CPP層材料相對(duì)在一定溫度和壓力下融化并粘結(jié)到一起，如圖2所示。CPP層材料與金屬Ni、Al及極耳膠具有良好的熱封粘結(jié)性，本身具有良好的耐電解液和抗HF性能，同時(shí)CPP層也有較好的絕緣性和物理防護(hù)性能，可以有效防止電極與鋰離子電池軟包材料之間的短路從而引起的鋁塑膜腐蝕。
中間的Al層材料主要目的是防止空氣中水分的滲入，水分滲入電芯內(nèi)部會(huì)與電解液反應(yīng)生成HF并形成副反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，造成鋰電池鼓脹，是鋰電池的重要隱患之一。Al層具有一定的強(qiáng)度可以防止外力對(duì)電芯的損傷。最外層的尼龍層主要是防止空氣中氧的滲透，維持電芯內(nèi)部環(huán)境。最外層采用尼龍層也是由于其具有良好的沖深性能，在早期的鋁塑膜中外層采用PET，但是由于PET自身張力大，導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲，成型性差而被棄用。
鋁塑膜的制造方法主要有熱法和干法兩種，熱法工藝是鋁層和CPP層之間用MPP粘結(jié)，在一定溫度下熱壓合成。高溫下MPP中范德華力被破壞，老化，抗短路性能會(huì)急劇下降。同時(shí)，由于其分子間結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致韌性降低，成型過(guò)程中容易破裂。干法工藝為在PP和鋁層中間加粘結(jié)劑直接復(fù)合，采用絕緣粘結(jié)劑，無(wú)需高溫處理故防短路性能要好于熱法工藝。且粘結(jié)劑本身延展性好于PP層，不需要高溫處理不影響成型。
圖2.某款鋁塑膜熱封示意圖
二、熱封影響因素探討
首先需要明白鋁塑膜熱封的目的是將電芯與外界環(huán)境完全地隔絕開來(lái)，即一切有可能影響外界水分、空氣滲入、電解液外漏的封裝不良都是不應(yīng)該出現(xiàn)的。軟包電芯封裝主要分為頂側(cè)封以及終封工序。
頂封工序主要是鋁塑膜、極耳膠以及銅鎳極耳直接的封裝，具有較大的破損可能性。側(cè)封是鋁塑膜CPP層之間的封裝，沒(méi)有太多的問(wèn)題，主要要防止褶皺和氣泡的出現(xiàn)。終封是抽真空封裝，由于鋰電池預(yù)充化成會(huì)產(chǎn)生氣體，電解液也會(huì)容易粘到鋁塑膜PP層上，導(dǎo)致封裝不良。
在生產(chǎn)過(guò)程中，技術(shù)員常用人機(jī)料法環(huán)測(cè)六個(gè)方面來(lái)探析失效的模式。首先，我們要排除掉次要的影響因素，次要的影響因素有人員、環(huán)境和測(cè)試方法。人員的操作水平和工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)封裝效果有一定影響，這里我們?cè)O(shè)定人員的操作水平是一定的且沒(méi)有問(wèn)題的。測(cè)試方法是一定的，對(duì)于封裝效果的查驗(yàn)是顯而易見的，不需要進(jìn)行異常分析。封裝開展之前需要對(duì)車間環(huán)境進(jìn)行清理和確認(rèn)，包括桌面異物、雜質(zhì)以及環(huán)境溫濕度等等，一切正常后方可進(jìn)行作業(yè)，在這里也不進(jìn)行單獨(dú)討論。下面將分析影響熱封效果的主要因素，即物料、設(shè)備和工藝。
1.物料
來(lái)料檢驗(yàn)是防止異常流入的重要方法，也是降低不合格品率，降低生產(chǎn)成本的重要手段呢。封裝工序中來(lái)料方面主要是兩個(gè)方面：一是鋁塑膜本身，二是裸電芯來(lái)料。鋁塑膜本身問(wèn)題異常主要包括鋁塑膜本身自帶的和沖坑引進(jìn)的異常。鋁塑膜本身要觀察其顏色是否正常，外觀表面是否有氣泡、污跡、劃傷等。鋁塑膜本身的其它性能會(huì)由供應(yīng)商提供相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，例如鋁箔和PP層剝離強(qiáng)度、加工性能、抗?jié)B透性能等等。鋰電池企業(yè)也會(huì)對(duì)來(lái)料進(jìn)行相應(yīng)檢驗(yàn)以確認(rèn)投入使用。
鋁塑膜沖坑是為了封裝的良好、美觀，沖坑引入的不良主要有CPP破損、凹坑異常等，這些異常會(huì)導(dǎo)致鋰電池注液鋁塑膜腐蝕、邊角應(yīng)力大等。沖坑質(zhì)量的好壞關(guān)鍵是沖坑磨具的設(shè)計(jì)，沖坑磨具主要有凹模、凸模、壓板以及其它輔助裝置，需要根據(jù)電池的形狀尺寸進(jìn)行模具的長(zhǎng)度、寬度以及深度的設(shè)計(jì)。再根據(jù)沖坑深度設(shè)計(jì)凹凸模的間隙，根據(jù)鋁塑膜加工特性設(shè)計(jì)凹凸模的表面粗糙度。裸電芯來(lái)料方面主要存在的問(wèn)題是極耳表面有污染，可能會(huì)造成封裝不良。
2.設(shè)備
設(shè)備模具的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)封裝效果無(wú)疑是重要的。在頂封工序，由于有正負(fù)極耳的存在，鋁塑膜和極耳膠間存在凹凸不平的接觸面，既要保證招塑膜PP層與極耳外表面的PP層粘接、密封良好，又要保證非極耳區(qū)鋁塑膜PP層面對(duì)面的粘接、密封良好。
設(shè)備封裝模具設(shè)計(jì)和封頭的選擇就比較關(guān)鍵，采用硬封時(shí)可以采用在硬封頭上增加硅膠，以硅膠的變形來(lái)補(bǔ)償頂封處的不足，也可以對(duì)硬封模具進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，挖一個(gè)凹槽來(lái)與極耳匹配進(jìn)行封裝。采用軟封時(shí)則不需要考慮那么多，不過(guò)得注意軟封的封裝工藝，驗(yàn)證封裝的密封性，以及耐高溫膠的老化問(wèn)題。
封裝厚度過(guò)大或過(guò)小都不利于鋁塑膜的封裝，厚度過(guò)大本質(zhì)上是鋁塑膜沒(méi)有封裝好，在設(shè)備方面可能由于壓力小或傳感器異常，壓縮空氣氣壓不穩(wěn)定。封裝厚度過(guò)小則意味著過(guò)封了，可能會(huì)導(dǎo)致PP層過(guò)融，露出鋁層。在設(shè)備上可以加裝相應(yīng)的限位裝置以達(dá)到最佳的封裝效果。此外溫度傳感器異常時(shí)也會(huì)導(dǎo)致達(dá)不到設(shè)定的工藝溫度而引起過(guò)封或欠封，導(dǎo)致封裝不良。
3.工藝
封裝工藝是最關(guān)鍵的影響環(huán)節(jié)，封裝工藝中的關(guān)鍵因素有溫度、壓力以及時(shí)間。封裝的最佳狀態(tài)是PP膜達(dá)到熔點(diǎn)后，粘結(jié)到一起，封裝外觀良好無(wú)氣泡無(wú)褶皺，封裝強(qiáng)度高，密封性好，通過(guò)絕緣測(cè)試。封裝強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)試，其示意圖如圖3所示。
此外在試樣拉伸方式上可以選擇橫向拉伸和縱向拉伸，拉伸試驗(yàn)機(jī)有臥式拉伸試驗(yàn)機(jī)和立式拉伸試驗(yàn)機(jī)，一般來(lái)說(shuō)立式的試驗(yàn)機(jī)一般來(lái)說(shuō)是電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，傳感器在移動(dòng)端，所以立式的可以做剝離，拉伸，壓縮，鋒利度這些試驗(yàn)。
就穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)剝離力專用臥式試驗(yàn)機(jī)要比立式的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)要好一點(diǎn)，兩者都要選好合適的傳感器的量程。外觀上通過(guò)目測(cè)來(lái)檢驗(yàn)，密封性通過(guò)抽真空后測(cè)試。絕緣測(cè)試是對(duì)極耳和鋁塑膜施加瞬間高壓，以測(cè)試是否封裝良好，提前檢出不良品，防止不良品流出。
圖3.封裝強(qiáng)度拉伸示意圖
在選用一款鋁塑膜后，需要進(jìn)行溫度、壓力和時(shí)間三因素DOE以確認(rèn)最佳的封裝工藝。鋁塑膜的PP融化溫度一般在180℃~190℃，可以在一定范圍內(nèi)選取幾個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行相同壓力下和熱封時(shí)間的熱封實(shí)驗(yàn)，通過(guò)熱封強(qiáng)度和效果來(lái)確定最佳封裝溫度。相應(yīng)的，也可以確定熱封壓力和時(shí)間對(duì)強(qiáng)度和封裝效果的影響。通過(guò)相關(guān)分析后，可以確認(rèn)哪個(gè)因素為主要影響因素。
一般來(lái)說(shuō)，封裝強(qiáng)度隨封裝溫度升高而升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定高度時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)封，PP熔膠溢出熱封區(qū)域，冷卻后形成裂紋從而降低熱封強(qiáng)度。熱封最佳時(shí)間與溫度有關(guān)，溫度較低時(shí)熱封時(shí)間對(duì)強(qiáng)度影響不大，這是因?yàn)镻P層在低溫下沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn)，熱封層沒(méi)有熔合在一起。
當(dāng)溫度足夠高時(shí)，熱封時(shí)間與熱封強(qiáng)度呈正相關(guān)。封裝壓力會(huì)影響封裝厚度，但是相對(duì)于溫度和時(shí)間來(lái)說(shuō)，是個(gè)不太重要的因素。在日常封裝設(shè)備使用過(guò)程中還要注意封頭的平整度、平行度，確認(rèn)封頭溫度、溫度傳感器是否正常等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)要解決相應(yīng)的問(wèn)題。
電芯封裝是影響電芯最終性能的關(guān)鍵工序，鋁塑膜的封裝影響因素主要有設(shè)備及模具的選擇、封裝工藝的確定，封裝工藝中的封裝溫度和封裝時(shí)間又占據(jù)了主要位置。次要的影響因素有來(lái)料的質(zhì)量、操作員的能力以及車間環(huán)境等。只有將各個(gè)方面協(xié)調(diào)好，才能做好電芯封裝工作，在防止電解液腐蝕的同時(shí)，將電芯內(nèi)部與外部環(huán)境隔離開，防止水蒸氣的滲入，確保鋰電池的循環(huán)壽命和使用安全性。
