聚合物电池的生产流程和工艺

毕业设计

聚合物电池的生产流程和工艺

系别电子信息工程系

专业信息安全技术

班级 08-1班

学生姓名 xxx

指导老师 xxx

2011年4月8日

摘要

锂聚合物电池（Li-polymer，又称高分子锂电池）：它也是锂离子电池的一种,但是与液锂电池(Li-ion)相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。它的标称电压与Li-ion一样也是3.6或3.7V,没有记忆效应。聚合物锂离子电池是电池行业中技术含量最高，最新的品种，以钴酸锂材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。它是液态离电池的更新换代产品，不仅具有液态锂离子电池的高电压、长循环寿命、放电电压平稳以及清洁无污染等特点；而且消除了液态锂离子电池存在的爆炸的安全隐患，具有更高的能量密度；同时外形更灵活、方便，重量轻巧；产品性能均达到或超过液态锂离子的技术指标，更具有安全性，所以受到国内外电子厂商及设计公司的青睐。

目录

摘要................................................................................................................................ I

1.聚合物电池的概述 (1)

2 极板工程的主要工艺和流程 (5)

2.1 极板切割的工艺区流程 (5)

2.2极板VD (5)

3 卷曲工程的工艺与流程 (6)

3.1卷曲机的生产过程 (6)

3.2 卷曲车间的press (6)

4 parking车间的工艺与流程 (7)

4.1 parking机 (7)

4.1.1 parking的描述 (7)

4.1.2parking的生产过程 (7)

4.1.3parking的外观检查 (8)

4.2 parking VD (8)

5化成车间的工艺流程 (9)

5.1化成概述 (9)

5.2 P/G工程 (9)

5.3 D/F工程 (10)

5.4化成车间的质量检测 (10)

6 结束语 (11)

致谢 (12)

参考文献 (13)

1.聚合物电池的概述

聚合物锂离子电池和平常电池的差别在电解质上。在20世纪70年代最初的设计中，采用了固态聚合物电解质。这类电解质类似于塑料薄膜，不能导通电子但是可以让离子交换（能够充电的原子或者原子团）。聚合物电解质取代了传统的浸透电解液的多孔隔膜。干态聚合物电解质的设计允许组装简化，提高电池机械强度，安全，并且能够制造成为超薄的几何外形。单个电池的厚度可以薄到1mm。设备设计师能够根据他们的想象力来自由设计电池的形状和大小。不幸的是，固态聚合物锂离子电池受制于其较差的导电性。内阻太高而无法提供当前通信设备所需要的高脉冲电流，无法驱动笔记本电脑的硬盘。加热电池到60摄氏度，电导率迅速提高，但是这样的要求不适合在便携设备上应用。作为一种折中方式，引入了一些凝胶电解质。目前市场上销售的大部分手机聚合物锂离子电池都是包含了凝胶电解质的混和型电池。用锂离子聚合物来修正这一系统，使之成为目前唯一用于便携设备的聚合物电源。

聚合物锂离子电池在全球技术成熟并商业化已经4年多时间了，虽然销量在快速增长，但其市场份额尚低于10%，与液态锂电90%的市场份额无法相比，大大低于人们的预期。由于各种原因，目前市场上聚合物的价格普遍要高于液态锂电，但是，由于移动电器的竞争模式正在悄悄地发生变化，特别是聚合物电池给移动电器带来的设计价值创新（如4mm厚度以下的优越性能、大型规格电池），聚合物电池正被越来越多的手机、移动DVD等设计人员所认识，因而聚合物厂商还是信心十足，坚信聚合物的时代一定会到来。可以从手机的发展看聚合物锂离子电池的发展趋势。由于各个厂商生产工艺的不同，目前市场上的聚合物锂电分为卷绕式（索尼、东芝为代表）、叠片式（TCL、ATL为代表）两种不同结构，但适应于手机需求的规格大都在4mm厚度以下。与液态比较，由于聚合物外包装采用了更薄的铝膜，比钢壳、铝壳更薄，而且生产方式与液态锂电不同，聚合物越薄越好生产，理论上可以生产出0.5mm以下厚度的电池。液态锂电正好

相反，越厚越好生产，低于4mm厚度的电池很难生产，即使生产出来了，容量明显不如聚合物锂电，成本也没优势。因而，电池越薄，聚合物生产成本越低、液态生产成本越高。但较厚的规格上，液态锂电供应链成熟，工艺成熟，生产效率高，成品率高，有很强的制造成本优势。从目前市场来看，5mm、6mm厚度系列的液态锂电池虽然比3mm、4mm厚度系列电池容量高很多，但售价要低很多。聚合物从理论上来讲，在5mm、6mm厚度规格上的材料成本与液态接近，但目前5mm、6mm系列电池的工艺成本要比液态高出很多，因而，要在此规格上与液态真正形成竞争，还有不少距离。一般的电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。所谓的聚合物锂离子电池是说在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为主要的电池系统。而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中，高分子材料主要是被应用于正极及电解质。正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液，负极则通常采用锂金属或锂碳层间化合物。一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，这就增加了重量和成本，另外也限制了尺寸的灵活性。而聚合物锂离子工艺中没有多余的电解液，因此它更稳定，也不易因电池的过量充电、针刺、碰撞或其他损害、以及过量使用而造成危险情况。新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化（最薄0.8毫米）、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性，从而可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池，为应用设备开发商在电源解决方案上提供了高度的设计灵活性和适应性，以最大化地优化其产品性能。同时，聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了50%，其容量、充放电特性、安全性、工作温度范围、循环寿命（超过500 次）与环保性能等方面都较锂离子电池有大幅度的提高。

聚合物锂离子电池和平常电池的差别在电解质上。在20世纪70年代最初的设计中，采用了固态聚合物电解质。这类电解质类似于塑料薄膜，不能导通电子但是可以让离子交换（能够充电的原子或者原子团）。聚合物电解质取代了传统的浸透电解液的多孔隔膜。干态聚合物电解质的设计允

许组装简化，提高电池机械强度，安全，并且能够制造成为超薄的几何外形。单个电池的厚度可以薄到1mm。设备设计师能够根据他们的想象力来自由设计电池的形状和大小。不幸的是，固态聚合物锂离子电池受制于其较差的导电性。内阻太高而无法提供当前通信设备所需要的高脉冲电流，无法驱动笔记本电脑的硬盘。加热电池到60摄氏度，电导率迅速提高，但是这样的要求不适合在便携设备上应用。作为一种折中方式，引入了一些凝胶电解质。目前市场上销售的大部分手机聚合物锂离子电池都是包含了凝胶电解质的混和型电池。用锂离子聚合物来修正这一系统，使之成为目前唯一用于便携设备的聚合物电源。

聚合物电池的好处：

a．超薄，电池能够组装进信用卡中

b．外形灵活：制造商不用局限于标准外形，能够经济地做成合适的大小。

c．质量轻：采用聚合物电解质的电池无需金属壳来作为保护外包装。

d．改进了安全：过充更稳定，电解液泄漏的几率更低。

聚合物电池的局限：

a.和锂离子电池相比能量密度和循环次数都有下降，制造昂贵。

b.没有标准外形，大多数电池为高容量消费市场而制造。

c.和锂离子电池相比，价格、能量比较高

聚合物电池的重要性和发展方向：

软包装技术是聚合物锂离子电池这一顶尖的高新技术行业中要解决的三大技术难题之一，它被放在如此重要的地位，说明该产品有高的技术含量，在设计、制造及其应用上都和普通的复合包装材料在性能上有质的差别。到目前为止，国际上仍没有一家公司的该项目产品能够完全满足聚合物锂离子电池对该产品的综合技术要求。因此，聚合物锂离子电池芯内包装成型材料不仅仅是聚合物锂离子电池的包装问题，而且是构成聚合物锂离子电池的一个不可缺少的重要组成部分。如果对这种软包装材料的重要性认识不够，将很不利于它的设计和开发。据了解，聚合物锂离子电池芯内包装成型材料目前完全被日本所垄断，欧美曾经开发出第一代非成型软包装膜，现基本上被淘汰，韩国曾经与日本一起占领国际市

场，但近年来似乎有退出的迹象，国内真正深入该膜研究开发的，只有少数厂家。该产品今后的发展动向是：厚度更簿、重量更轻（满足超薄型手机要求）、耐电解液稳定更好、阻隔性更高，冷冲压成型性更好（冲深更深以满足手提电脑及电动自行车锂电池的要求）、耐穿刺性更优（更满足国产电池工艺技术），热封强度更高，电性能影响更小。

图1.1 电池工艺流程图

2 极板工程的主要工艺和流程

2.1 极板切割的工艺区流程

三星视界公司自己并不生产极板，所以这里的极板工程可以理解为对极板的处理，先说极板的切割，极板到厂后，是很大的，长约900m 宽1米，进场后根据需要生产的电池的种类需要，切割成不同的宽度，小面积聚合物电池极板的宽度一般在5cm左右，大面积需要的宽度最大的有25cm，切割好的极板卷成卷后可以送到后工程了。

2.2极板VD

极板VD是决定极板质量的很重要的因素，其实VD就是对极板的干燥处理。电池生产过程中是不能有水分的存在的，否则会引起短路，一般极板切割好后用放入真空运输车内，运至极板VD室（极板VD室一般与卷曲车间相连）在极板VD室里面大概干燥24H后极板方可投入后工程使用。由于极板VD对电池质量的重要性，公司对极板VD车间的管理是相当严格的，每一次进入VD室必须先进行风淋，即用热风吹干身上的水分。

图2.1极板VD机

3 卷曲工程的工艺与流程

3.1卷曲机的生产过程

卷曲工程—电池生产的核心工程，也是生产难度最大，不良率最高的工程之一，先说说卷曲机的各大部件：首先是极板工位，也就是卷取机上用于投入极板的工位，称之为spool部一台机器上共有四个，阴阳极各两个，方便交替使用和更换极板。其次是SEP工位，即用于投入隔离膜的工位，称之为sep部，和极板工位一样，共有四个阴阳极各两个。接着是焊接部，是用于焊接阴阳极板TAB 的工位（tab电池成品上的阴阳极突起部分，用于连接电源），然后是cover tape 粘贴部，用于在焊接了tab的极板部分粘贴上保护胶带防止短路的出现，接着是卷曲工位，将阴阳极板和sep卷在一起，这样最原始的电池卷（J/R）也就成型了，然后是vision 部，用于检查电池的外观数据，用于排除不良电池。

熟悉了卷曲机的部件之后，卷曲机的生产流程就很好理解了，首先是投入阴阳极板，然后再极板上焊接上tab（每隔一段焊接一个，一段就是一块电池）接着在tab上贴保护胶带，最后投入卷曲工位切割，卷曲。得到J/R后投入vision 机内进行外观检查，合格则可投入后工程press。

3.2 卷曲车间的press

卷曲车间的press是卷曲的后工程，操作很简单，把卷曲的良品取出，放入P/G中按一定的数目排列，用压块压上，压四个小时左右即可press完成后，按不同的lot组别进行对后工程parking的投入。

4 parking车间的工艺与流程

4.1 parking机

4.1.1 parking的描述

Parking是电池由J/R转向成品的过程，主要的工序是包装外壳（can）,注入电解液，短路检查以及第一道外观检查。在卷曲车间press好的J/R会直接投入parking线的机器里，首先会经过一道x-ray检查，主要是检查电池偏绕短路等问题如果检查合格，则可以投入，投入后会进入包装工位，会给合格的J/R

安装上聚合物外壳，这样聚合物电池就基本上成型了，当然，离可以使用还差很多道工序，安装完外壳之后，就会注入电解液了，注入电解液的份量必须刚刚好，多了则会溢出，则电池报废，少了没有办法接通，同样是报废，由于注入电解液的工位比较大，而且在机器里面，如果出故障了，很难发现，这样就必须要在后面的工位进行电解液分量的检查，如果不合格会被排出，注入有电解液溢出的情况，会立刻停止生产，并检查机器故障，直到故障排除才能继续生产。

4.1.2parking的生产过程

Parking，故名意思是对电池的包装，在三星，parking工程承担着更多的任务，首先是对电池J/R的质量检测，也算是对卷曲工作的检查，这个部分在投入工位进行，在投入工位排在第一位的是一台x-ray机，用于检查电池的阴阳极偏绕，阴极与sep 的偏绕，同时还能检查电池J/R的内部以及外部正列，以防止出现不良。第二位的是一台vision 机用于检查电池的外观数据，vision机是一种类似于照相机的机器，用摄像头将电池软卷的外形拍摄下来传入电脑中，由电脑分析电池的各项外部数据，如阴阳极tab 突出 tab位置等重要的电池质量标准。当这些标准和项目数据都合格的时候，就可以真正的进行投入缓解了，投入后，开始第一道加工工序，安装can，组合物电池的can是聚合物制作的，和手机电池不同。而且聚合物电池会经过两次包装。包装工位有四个用于存放包装can的spool 从两面盖上电池然后切割，压好，这样，基本的包装就完成了，包

装后的“电池”送入第二工位，即，注入电解液，注入电解液后进行密封，密封后送入输出工位，由工人手动将生产线上的“电池”取出，检查电池外观合格后，可放入托盘上，进入下一环节。

4.1.3parking的外观检查

在parking车间的成品需要经过一次人工检查，主要是检查电池外壳是否有损伤；电池tab是否完整；电池是否漏液等问题。

4.2 parking VD

Parking VD和极板VD的目的一样，都是为了干燥去除电池中可能的水分，这对电池的质量影响很大。电池生产过程中是不能有水分的存在的，否则会引起短路，一般电池J/R制作好后用放入真空运输车内，运至parking VD室（parking VD室一般与D/F车间相连）在极板VD室里面大概干燥24H后极板方可投入后工程使用。由于parking VD对电池质量的重要性，公司对VD车间的管理是相当严格的，每一次进入VD室必须先进行风淋，即用热风吹干身上的水分。

5化成车间的工艺流程

5.1化成概述

化成车间是聚合物生产的最后一个工程，也是出场前工程，其主要由P/G,D/F;以及质检三个部分组成。每个部分都有不同的作用。

5.2 P/G工程

P/G工程是对电池进行进一步加工，由parking工程生产出来的电池比较蓬松，极板之间不都紧密，P/G工程则是负责对parking的电池进行进一步的挤压的，将原本不是很紧密的电池片进行高强度的挤压，使电池变得紧密，P/G工程的另一个工作是将原来parking工程制作出来的电池中多余的电池外壳（can）切除，如下图：

图5.2 parking成品多余部分

5.3 D/F工程

D/F工程是对电池进行喷码的工程，经过D/F工程后，会用激光喷码对电池进行标记，标记内容包括生产日期，生产组别，生产线，lot号，电池的种类型号等等，经过D/F工程之后，基本上就是真正的成品电池了。

图5.2 电池喷码

5.4化成车间的质量检测

化成车间的质量检测并不是电池生产流程中最严格或者最繁琐的检测，但却是最最重要的一次质量检测，因为化成质检是出厂前最后一次检测，如果检测失误，使不良电池流出厂外，将造成很严重的后果。化成的质检分为两个部分：一是电池外观的检查，这方面还是与之前的外观检查一样需要检查外壳是否平整（聚合物电池的外壳非常的软之前就有说过）；检查电池的tab；检查电池是否漏液等等。二是电池电量的检查，化成会抽取样本对电池进行充放电的实验。质检合格之后就是包装了，按一定的数量进行包装后的电池可以直接出厂了。

6 结束语

自九十年代初锂离子电池上市以来，锂离子电池以其高比能密度和使用寿命长而受到重视，发展迅速。其中采用聚合物（高分子材料）作电极和电解质材料的研究开发尤为引人注目。在新一代信息电子产品的设计上目前均朝向「轻、薄、短、小」的趋势发展，因此电源的供应是一个亟待解决的问题，小型可充电电池的功能与特性已经成为决定新一代无线通信设备与笔记本电脑等可携带式电子产品市场竞争优势的关键因素了。目前市面上所使用的二次电池主要镍隔、镍氢(Ni-MH)、锂离子(Li-ion)、聚合物锂离子电池几种，而且随着便携式电子产品的应用越来越广、市场需求越来越多，这些电池的需求量也随之增加。基于如此广阔的市场，世界各大电池公司为了在这个市场领域中取得领先的地位，无不致力于开发具有更高能量密度、小型化、薄型化、轻量化、高安全性、长循环寿命与低成本的新型电池。其中，聚合物锂离子(Lithium ion polymer)电池因为具有上述各项优点，更是各家厂商致力研发的目标。聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，符合便携、移动产品的要求，因此聚合物电池被称为21世纪移动设备的最佳电源解决方案。可以预见，在未来的几年内，由于其优越的性能价格比，以及其巨大的潜在需求，聚合物锂离子电池的发展前景将十分广阔。

致谢

本设计的完成是在我的老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了张老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。

参考文献

[1] 聚合物锂离子电池.吴玉平等.化学工业出版社2007-01

[2] 化学电源：电池原理及制造技术.郭炳坤,李新海.化学工业出版社2010-02

[3] 动力电池.聂文华,王自强,包建平.科学出版社.2004-08

[4] 绿色电源材料.杨延生.科学出版社. 2007-06-30

[5] 锂离子电池原理与关键技术.肖皓.中南大学出版社.2008-10

[6] 聚合物电池生产 .桂长清.人民邮电出版社.2009-04