充电电池制造中的涂布、涂裱

二次电池制造中的涂布

在日本发明的锂离子(LiB)电池,随着电子设备的小型化、便携化实现了在全球的普及。如今,在智能手机/平板电脑/笔记本电脑等小型纤薄移动设备、 EV(电动汽车)/HEV(混合动力汽车)车载用电池、住宅用太阳能发电/燃料电池蓄电系统等用途普及的背景下,充电电池进一步小型化、大容量化、安全化的研究及改良也正在不断推进。

此外,将电解液与分离膜替换为固体电解质的“全固体电池(全固体型锂离子电池)” ,也正在面向未来的实用化及普及,受到各领域的研究。全固体型能够提高能量密度,且因没有电解液而不易起火,设计自由度也更高,作为新一代的电池而备受期待。在该领域中,多用涂布的高量产性也正在受到研究。

充电电池制造中的“粘合”

根据最终用途,锂离子电池的电池封装外形可分为圆柱型、方型、叠层(塑封)型等,制造工序也各有不同。“叠层型电池”是一种通过涂裱(涂布)粘合剂来贴合铝箔与树脂的叠层薄膜,封装积层电极(积层元件)的电池,比金属罐型更纤薄、轻量,成型自由度更高,废弃方便、环境负荷也更低,市场对这种电池的需求正在不断增长。

叠层型电池制造中的粘合
通过对在正负极之间夹入分离膜,再交互叠放的“积层电极(积层式元件)”等进行封装,就能够制造出锂离子电池单元。叠层型电池纤薄轻量、容量大,且因其表面积较大、散热性强,可有效抑制充放电时的温度上升。还能利用涂裱装置进行大批量生产,在制造成本方面也有优势。
叠层型电池的结构[积层电极(积层式元件)示例]
叠层型电池的结构
  • A. 叠层薄膜
  • B. 积层电极(积层式元件)
  • C. 标签
  • D. 正极
  • E. 分离膜
  • F. 负极

用于叠层型电池封装及外装的叠层薄膜(图中A),通常会使用铝箔与树脂薄膜。在制造时,需要将特殊的粘合剂涂裱(涂布)到这些元件上,通过粘贴叠层板对积层电极与电解液进行封装。用于叠层薄膜的粘合剂,必须对铝箔与树脂薄膜所用的异种基材具有较强的粘合力,还需要具备对内含强酸性电解液的耐性。

充电电池制造中的“功能赋予及表面处理”

在锂离子电池(LiB)的制造工序中,涂裱(涂布)属于核心技术。通过在基材上涂布(涂裱)材料,对正极(阳极)、负极(阴极)以及分隔正负极的分离膜赋予相应的功能,制造积层电极(积层式元件)的部材。

锂离子电池(LiB)制造中的涂裱(涂布)

锂离子电池(LiB)的基本结构
锂离子电池(LiB)的基本结构
  • A. 负极(阴极)
  • B. 正极(阳极)
  • C. 分离膜
  • D. 电解液
  • E. 充电
  • F. 放电
  • G. 集电体
  • H. 粘合剂
  • I. 活性物质

正极(阳极)的涂裱(涂布)

正极浆料(溶剂类)示例
活性物质、导电助剂、粘合剂、有机溶剂的混合物(水类浆料中,用增粘剂CMC和水替代有机溶剂)。
  • 活性物质:与容量、电压、特性密切相关。各家企业对材料(例:钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等)的选择、混合及搅拌方法各有不同。
  • 导电助剂:降低内部电阻,提升导电性。
  • 粘合剂:将集电箔上混合的材料粘合起来。
  • 有机溶剂:帮助混合、搅拌材料,将浆料调节到适合涂裱的粘度。
正极浆料的涂裱(涂布)示例
使用模具式涂布机对作为集电箔的铝箔,涂裱(涂布)一定厚度的正极浆料。电极的厚度及质量,会对电池的能量密度造成很大的影响。涂膜越厚、容量越大,电池的倍率特性越低;涂膜越薄,倍率特性越高,电池的容量却会缩小。

负极(阴极)的涂裱(涂布)

负极浆料(溶剂类)示例
混合活性物质、粘合剂、有机溶剂,制作负极用浆料(水类浆料中,用增粘剂CMC和水替代有机溶剂)。
  • 活性物质:使用高导电性的碳类材料(石墨、钛酸锂等)。有时还会在负极添加导电助剂,降低内部电阻。和正极一样,与活性剂的容量、电压、特性密切相关。各家企业对材料的选择、混合及搅拌方法各有不同。
  • 粘合剂:将集电箔上混合的材料粘合起来。
  • 有机溶剂:帮助混合、搅拌材料,将浆料调节到适合涂裱的粘度。
负极浆料的涂裱(涂布)示例
使用模具式涂布机对铜箔涂裱(涂布)一定厚度的负极浆料。通常情况下,负极形成的涂膜会比正极薄。基于涂膜厚度的容量及倍率特性变化,与正极相同。正负极的容量平衡也非常重要,经常会发生加厚单侧电极膜厚时,需要同时加厚另一侧电极的情况。

分离膜的制造工序

分离膜是分隔正极与负极的重要部材,其制造工序如下所示。在进行对底膜赋予耐热性能的涂膜时,会采用涂裱(涂布)工艺。

  1. 底膜制膜工序:使用聚烯烃原料进行“底膜(微多孔膜)”的制膜。
  2. 涂裱工序:将芳酰胺涂裱液(合成聚芳酰胺的涂裱液)均匀涂裱(涂布)到底膜上,形成耐热层。
  3. 剪裁工序:剪裁成需要的尺寸。

在越来越受到关注的EV(电动汽车用)及家用蓄电池等领域,使用积层电极(积层式元件)的“叠层型LiB电池”正在广泛应用。

在积层电极的制造工序中,会使用被切割成积层式用片材的正极和负极,先在最外层配置负极,随后按照分离膜、正极、分离膜、负极的顺序进行积层。随后,将上述结构与电解液一同作为单元封装。

论题:电池制造中涂裱品质的管理

电极材的膜厚,与容量、电压、倍率特性关系密切,要以设计预期的性能及规格实现量产,就必须连续均匀地涂裱(涂布)目标膜厚。一旦发生涂裱面“厚度不均”、端面“肥边”等缺陷,会对电池产品的品质及性能造成很大的影响,因此,在线对涂裱面进行高速、高精度的测量及管理将变得非常重要。

通过导入可在线进行高速、高精度测量的“彩色激光同轴位移计”,可避免涂裱表面粗糙度及材料激光反射难易度的影响,实现稳定的厚度测量及管理。

电池制造中涂裱品质的管理

导入案例:不透明材料的涂裱厚度测量

通过使用能够测量形状的线激光“超高速轮廓测量仪”,可以对涂裱端面厚度过高的“肥边”等涂裱缺陷进行涂裱不良的在线检测。

电池制造中涂裱品质的管理

导入案例:端面形状的测量

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