简单介绍电池热压整形工艺的目的与工艺控制要点

在锂离子电池生产过程中，极片生产完成后，采用卷绕或者叠片方式将正、负极极片和隔膜组装制造形成基本的电芯。随后，一般会对电芯进行热压整形。本文主要简单介绍热压整形工艺的目的与工艺控制要点。

一、工艺目的

无论在卷绕中或者Z型叠片中，必须对隔膜施加一定的张力，以确保正极片、隔膜、负极片之间的整齐程度，然而工艺过程中的张力会使隔膜在走带方向被拉长，隔膜在走带方向的收缩量很大，会使得隔膜严重挤压极片，从而导致电芯组装工艺后，特别是绕卷工艺，电芯发生变形，变形后的电芯不仅外观平整度差，内部还会存在隔膜褶皱等缺陷，如图1和图2所示，这会导致容量低、循环性能差及自放电快等质量问题，尤其是卷绕较厚的电芯，卷绕后的变形问题尤为突出。另外，松散状态的电芯厚度一致性也差，会影响电芯入壳工艺，增加入壳工艺的难度，甚至导致入壳时电芯损伤。  

因此，电芯热压整形的主要目的包括：

（1）改善锂离子电池的平整度，使电芯厚度满足要求并具有高的一致性；

（2）消除隔膜褶皱，赶出电芯内部空气，使隔膜和正负极极片紧密贴个在一起，缩短锂离子扩散距离，降低电池内阻。

二、工艺过程

为了使锂离子电池电芯能够在经过整形后平直且避免回缩复原。电芯热压整形工艺过程如下：将卷绕或叠片好的电芯放在模板上，设定增压缸压力和模板温度，然后上下模板在一定压力和温度作用下使电芯定型，达到电芯厚度一致，使电芯弹性减小，降低装芯合格率并保证成品电芯厚度的一致性。 

对于方形电池，热压整形装置如图3所示，上下模板就是平板，在压力作用下平板合模平整电芯。而对于圆柱电池，热压整形装置如图4所示，固定在底座上产生相向运动的两汽缸，在两汽缸活塞杆尾端带有柱形槽的两个半圆模，两半圆模柱形槽的半径相等且等于或小于预设卷芯半径。利用机械手或夹具夹持卷芯放置在两个半圆模的中心位置处，控制两个汽缸带动两半圆模合模相向运动，使得两个半圆模对卷芯进行挤压，从而将卷绕整形到预设的尺寸，使之能够放入与之相匹配的外壳内。 

一般，在电芯热压整形时，同时对电芯进行绝缘耐电压测试，检测电芯内部是否存在微短路。如果电芯内部存在微小金属异物颗粒，在电芯被压下状态，电芯隔膜刺穿，很容易检测出微短路不合格品。

三、工艺要点

电芯热压整形的主要工艺参数有加压压力、加压时间和模板温度。在合适的工艺参数下，厚电芯内部几乎不存在空气，隔膜和极片紧密粘合在一起，松散电芯能够变成硬块状态。但是，对于近年来使用的陶瓷隔膜，由于陶瓷层存在，隔膜很难与极片粘合在一起形成这种状态。在工艺确定试验中，检测项目包括隔膜的透气性、厚度变化；电芯厚度是否满足入壳要求；极片是否发生断裂等。

电池隔膜作为电池的核心部件，发挥了隔离正负极电子传导、同时允许锂离子在两极之间的往复通过的关键作用，隔膜上的微孔结构正是这些离子往返于正负极的重要通道，它的透气性能会直接影响到电池的性能，隔膜透气性是指隔膜在一定的时间压力下透过的气体量。如果隔膜的透气性不好，将影响锂离子在正负极之间的传递，继而影响锂电池的充放电。测试工艺过程为：固定电池隔膜，在隔膜一侧施加气压，计量气压压降和所用时间，检测隔膜的透气度，所用时间越短，透气性越好。在热压过程中，隔膜可能被严重压缩，隔膜厚度变化大，导致微孔被堵塞，肉眼观察隔膜会变成透明色，这种情况说明热压整形对电芯作用超限，会影响锂离子传输。卷绕电芯如图2所示，如果极片比较脆，电芯折弯处在热压整形中容易发生掉粉甚至断裂，这会导致电子传输受限，增加电池内阻。因此，电芯热压整形也必须避免这种情况发生。这两个方面要求热压整形压力越小越好，时间越短越好。而另外一方面，热压整形又必须使电芯定型，电芯厚度满足工艺要求，电芯弹性减小，并保证成品电芯厚度的一致性。因此，压力，时间和温度等工艺参数需要优化。

近年来，动力电池对低成本、高比能电池的需求使得三元材料的市场需求快速增加，但是在消费电子产品领域，钴酸锂材料长期以来占据锂离子电池正极材料的绝对优势地位。

钴酸锂材料的理论容量为274mAh/g，但在实际使用中为了保持钴酸锂的结构稳定性和良好的循环性能，我们一般将充电电压限制在4.2V左右，因此钴酸锂的实际使用容量也就在140mAh/g左右，近年来材料厂家通过表面包覆合、元素掺杂等手段提升了钴酸锂材料的结构稳定性，充电电压可以提升至4.35V，从而使得钴酸锂材料的可逆容量达到165mAh/g左右，但是这仍然无法满足高比能锂离子电池的需求。

为此，华为中央研究院联合美国阿贡国家实验室通过La和Al掺杂，将LiCoO2的稳定电压提高到了4.5V，可逆容量达到190mAh/g，其中La能够增加LCO材料在c轴方向上的晶胞参数，Al则能够起到促进Li+扩散、稳定晶体结构和防止LCO材料相变的作用，两者相互作用显著改善了LCO材料在高电压下的结构稳定性，循环50次后仍然能够保持96%的容量，并使得LCO材料的倍率性能得到了大幅提高。