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      2020-06-08

      鋰離子電池極耳設計公式

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      鋰離子電池極耳設計公式


      一般的鋰電池正負極端是通過內部鎳極耳(銅鍍鎳)或鋁極耳分別與負極、正極蓋帽連接。當然,極耳的設計對過流能力有著重要影響,下面介紹一下極耳設計理論


      一、極耳材質理論參數

      (1)鎳極耳的安全載流值為11-13A/mm2,鎳的電導率在140000 S/cm,熔點在 1200℃~1400℃。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖1)

      (2)銅極耳的安全載流值5-8A/mm2,銅的電導率在584000 S/cm,熔點在 ≈1000℃。

      (3)鋁極耳的安全載流值3-5A/mm2,鎳的電導率在369000 S/cm,熔點在 ≈660℃。


      二、極耳的幾何位對阻抗影響理論設計

      集流體(箔材)過流離極耳越遠,過電流過弱;平均電流值為集流體一半,簡單說有效阻抗Reff為集流體阻抗值Ro一半

      Reff=Rc/2 或 Ra/2

      鋰離子電池極耳設計公式(圖2)

      其中

      ① Rc為正集流體阻抗值

      ② Ra為負集流體阻抗值


      (1)極耳位于極片中間位

      鋰離子電池極耳設計公式(圖3)

      E=(I/2)2*(Ro/4)+(I/2)2*(Ro/4)= I2*(1/8)Ro= I2*Reff


      (2)極耳位于極片1/3位


      鋰離子電池極耳設計公式(圖4)

      E=(I/3)2*(Ro/6)+(2I/3)2*(2Ro/6)= I2*(1/6)Ro


      (3)單極耳位于任意位


      鋰離子電池極耳設計公式(圖5)

      E=I2*[x2*x/2+(1-x)2*(1-x)/2]Ro


      (4)雙極耳位于任意位


      鋰離子電池極耳設計公式(圖6)

      E=(I/3)2*(Ro/6)+(I/3)2*(Ro/6)+(I/3)2*(Ro/6)




      1.電池極耳是什么?


      極耳,是軟包鋰離子電池產品的一種組件。電池分為正極和負極,極耳就是從電芯中將正負極引出來的金屬導電體,通俗的說電池正負兩極的耳朵是在進行充放電時的接觸點。電池的正極使用鋁(Al)材料,負極使用鎳(Ni)材料,負極也有銅鍍鎳(Ni—Cu)材料,它們都是由膠片和金屬帶兩部分復合而成。


      鋰離子電池極耳設計公式(圖7)

      2.極耳的分類


      2.1按極耳金屬帶材質分:

      ⑴鋁(Al)極耳,一般用作正極極耳,如果電池為鈦酸鋰負極時,也用作負極極耳。

      ⑵鎳(Ni)極耳,用作負極極耳,主要用在數碼類小電池上,例如:手機電池、移動電源電池、平板電腦電池、智能傳遞設備電池等。

      ⑶銅鍍鎳(Ni—Cu)極耳,用作負極極耳,主要應用于動力電池和高倍率電池。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖8)

      2.2 按照極耳膠來分(國內市場):

      ⑴黑膠極耳,一般用在中低端數碼類小電池上。

      ⑵黃膠極耳,一般用在中低端動力電池和高倍率電池上。

      ⑶白膠極耳 ,一般用在高端數碼電池、動力電池和高倍率電池上。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖9)

      2.3極耳的成品包裝分為:

      ⑴盤式極耳(整條金屬帶通過設備加上膠片后整條的卷繞成盤),用在自動化生產產線

      ⑵板式極耳(金屬帶加上膠片后裁切成單個的,然后成排擺放用兩片薄透明塑料片夾在中間),用于普通生產產線。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖10)

      3.電池極耳金屬帶材質

      AL1050鋁合金為純鋁中添加少量銅元素形成,具有極佳的成形加工特性、高耐腐蝕性、良好的焊接性和導電性。


      TU1為無氧銅,氧和雜質含量極低,純度高,導電導熱性極好,延展性極好,透氣率低,無“氫病”或極少“氫病”;加工性能、焊接、耐蝕耐寒性均好。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖11)

      4.各種品牌極耳膠結構與性質


      4.1. 各種品牌極耳膠結構

      目前極耳膠都是從日本進口而來,極耳膠生產技術難點是:PP材料的分子量要控制在一個比較窄的范圍內,目前國內的技術生產出的PP膠達不到要求。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖12)

      極耳膠結構:極耳膠一般由三層材料熱壓在一起而構成,除凸版及昭和制造單層改性PP構成及騰森制造五層極耳膠以外。一般極耳膠由中間骨架層及兩表面改性PP層構成,兩表面的改性PP材質相同。日立和騰森為了追求超高的粘合層與金屬帶的粘合強度,兩個表面的改性PP材質不同,一面是親金屬性改性PP,另一個表面是親塑性改性PP。這種極耳膠,制作極耳時一旦極耳膠表面用反了,則必定會造成電芯漏液氣脹事故。


      目前國內市場上,極耳制造所使用的極耳膠分為白膠、黑膠、黃膠和單層膠。其中高端電芯客戶大多采用單 層凸版80μm和50μm白膠。一般中低端客戶采用DNP黑膠和DNP黃膠。三層結構的白膠在日本和韓國大量采用。單層白膠在日韓電芯公司用的極少,基本都用三層結構白膠。國內較高端的電芯公司也在逐步采用三層結構的白膠。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖13)

      4.2 各品牌極耳膠性能

      DNP黃膠結構為中間功能層UHR(為無紡布結構),表面兩層為改性PPa。

      UHR層厚度為14g/m2≈12μm,表面改性PPa厚度為44μm。

      UHR熔點為310~340℃,PPa熔點為147℃。     


      黃膠極耳有分層的危險。但黃膠極耳的封裝條件比白膠容易調節。前期日本極耳膠供應商也提到黃膠的不足,表現為3點:    

      1)極耳膠是由中間一層UHR和表面兩層改性PP膠熱壓在一起的。 

      2)中間層無紡布,水分會從無紡布中通過毛細管滲透作用引入到電池內部,使得電池發鼓氣脹。   

      3)無紡布容易分層,熱壓效果不好,電芯使用時間或擱置時間長了容易造成漏液。


      DNP黑膠結構為中間功能層PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)薄膜,表面兩層為改性PPa。PEN層厚度為12μm,表面改性PPa厚度為44μm。PEN熔點為265℃,PPa熔點為147℃。黑膠其功能層PEN和PP層為不同物質復合,存在分層風險,高端客戶一般不采用此膠。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖14)

      白膠

      白膠又分為單層白膠、三層白膠、五層白膠。


      單層白膠一般由一層改性PP構成,類似于初期的鋁塑膜內層,熔點在140℃以上,與鋁塑膜的內層CPP熔點接近。


      三層結構白膠表面兩層改性PP和中間骨架層PP經共擠制得,不存在分層風險,高端客戶及動力電芯一般都采用此類極耳膠。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖15)

      5.各種極耳膠性能比較


      5.1 黃膠極耳和黑膠極耳的比較


      DNP黑膠其功能層PEN和PPa層為不同物質復合,界面多,經過電解液浸泡后本身會分層剝離。PEN熔點為265℃,PPa熔點為147℃。且黑膠PPa層里還有3種不同融點的物質,黑色素:66℃,PE 105℃,PP167℃,界面更加不穩定。 


      黃膠極耳功能層本身融點300℃以上,所以熱封時會更好操作。中間功能層改用了無紡纖維層代替原來的聚萘二甲酸乙二醇酯,界面融合較黑膠好,但仍然無法解決不同物質之間的徹底融合問題。黃膠由于本身PPa層技術的原因,在熱封后會變得異常堅硬,失去柔韌性,在封裝電池和后期加工(轉鎳、加板)時,易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產生漏液、氣脹等。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖16)

      5.2 黃膠極耳和白膠極耳的比較


      白膠采用三層具有不同功能的PP材料經共擠制得,其功能層熱封溫度較寬165~167℃,略低于電池封裝溫度(180-220度),可以有效的防止切面短路問題,增大了電池封裝時可操作的溫度范圍,提高了電池生產的成品率。


      黃膠極耳由于本身PP層技術的原因,在熱封后會變得異常堅硬,失去柔韌性,在封裝電池和后期加工(轉鎳、加板)時,易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產生漏液、氣脹等,而白膠極耳由于3個功能層使用的材料屬于同類物質(PP類),在熱封后仍可以保持極高的柔韌性。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖17)

      5.3 白膠極耳和單層白膠的比較


      單層白膠類似于初期的鋁塑膜內層,因只有一個融點,熱封溫度超過融點則易導致完全熔解短路,熱封溫度在不足時則形成軟化,這將導致和鋁塑膜的CPP層不能完全融解聚合,電池容易漏液脹氣。三層結構的白膠極耳,由于外層采用與鋁塑膜內層類似的材料,保證了與鋁塑膜的融合,而表面改性PP與中間層PP之間的30℃以上的溫差具有更廣的熱封溫度,使封裝的操作性更強,保證了極耳膠與鋁塑膜之間的封裝可靠性。下表為谷口80μm厚三層白膠極耳與凸版會社80μm厚單層白膠極耳硬封封裝拉力測試比較: 

      鋰離子電池極耳設計公式(圖18)

      鋰離子電池極耳設計公式(圖19)

      5.4 三層白膠極耳和三層或五層白膠(分正反面)極耳的比較


      如前所述,三層白膠極耳外層采用與鋁塑膜內層類似的材料,具有更廣的熱封溫度,保證了與鋁塑膜的融合,而3層PP間明顯的溫差使封裝的操作性更強。


      極耳膠表面分正反面的極耳膠極耳,如果在制作極耳的過程中用反了,則電芯在極耳膠處必然會發生漏液事故,國內已經發生多次此類事故。而如果嚴格控制極耳制作過程,不發生用錯極耳膠正反面的問題,其極耳膠與金屬帶之間的熔接強度比正常三層極耳膠極耳的要高。


      下表為谷口100μm厚三層白膠極耳與日立100μm厚三層白膠(分正反面)極耳及滕森105 μm厚五層白膠(分正反面)極耳軟封封裝拉力測試比較: 

      鋰離子電池極耳設計公式(圖20)

      鋰離子電池極耳設計公式(圖21)

      5.5 日立三層白膠和單層白膠

      鋰離子電池極耳設計公式(圖22)

      5.6 日立三層白膠和單層白膠DSC圖

      鋰離子電池極耳設計公式(圖23)

      6.1 電池極耳生產流程(白膠)


      動力銅鍍鎳極耳:銅保證導電性;經過表面處理后鎳起到防止銅氧化的作用,如果要保證銅鍍鎳極耳的焊錫性,還需要對極耳的表面鈍化膜進行二次處理。市場上一些公司的極耳不進行二次處理也能勉強上錫,但極耳的耐電液腐蝕性差些。


      目前,在極耳工業生產中,鍍鎳主要采用電鍍鎳和化學鍍鎳工藝兩種,電鍍鎳層厚度1.8±0.3um,化學鍍鎳層厚度1.0±0.3um。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖24)

      6.2 動力極耳金屬帶削邊處理


      動力極耳的金屬帶厚度超過0.2mm時,其臺階厚度超過PP膠厚度,則金屬帶需做側邊削邊處理,否則易導致絕緣阻抗降低、產生脹氣漏液的風險。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖25)

      7.電池極耳的測試


      7.1 電解液浸泡后滲透測試

      鋰離子電池極耳設計公式(圖26)

      7.2.1 電解液浸泡后熱封強度測試

      鋰離子電池極耳設計公式(圖27)

      7.2.2 電解液浸泡后滲透測試

      參照:日本某EV電芯廠家對EV與ESS極耳的技術要求。

      電解液浸泡65℃×28天,極耳膠與金屬導體的玻璃強度要求>15N/15mm。


      總結:國內電動EV用極耳的耐電解液判定之最低標準為:

      1. 85℃×24h電解液浸泡,極耳膠與金屬導體的玻璃強度

      PeelStrength>15N/15mm;

      2. 85℃×24h電解液浸泡,滲透液不能侵入膠體內。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖28)


      7.3 彎折測試

      厚度<0.2mm時:鋁、鎳Tab≥7次;鍍鎳銅≥6次;

      厚度≥0.2mm時:鋁、鎳、鍍鎳銅Tab≥5次;

      符合EV動力應用的耐震、耐疲勞韌性測試。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖29)

      7.4.1 銅鍍鎳動力極耳——鍍層密著性測試

      要求:鍍層無發黑。

      長時間大電流、行駛震動等情況下鍍層性能不足時會:

      電芯內部——鍍層脫落至極片——微短路——自放電;

      電芯外部——PACK焊接處鍍層松動——接觸內阻變大——or焊接處脫落。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖30)

      7.4.2 金屬極耳導體關鍵參數對比

      鋰離子電池極耳設計公式(圖31)

      7.5 盤式極耳——膠塊脆化程度測試

      鋰離子電池極耳設計公式(圖32)

      鋰離子電池極耳設計公式(圖33)


      “極耳”是一個“連接、導電、密封件”?!斑B接”是指電池內外連接,極耳膠與鋁塑膜的連接;“導電”是指通過極耳將電引出來及產生回路;“密封”是指膠條與金屬帶之間的密封和膠條與鋁塑膜之間的密封。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖34)
      鋰離子電池極耳設計公式(圖35)
      鋰離子電池極耳設計公式(圖36)
      鋰離子電池極耳設計公式(圖37)
      鋰離子電池極耳設計公式(圖38)
      鋰離子電池極耳設計公式(圖39)


      一個極耳是由兩片膠片把金屬帶夾在中間的。目前市場使用的膠片有黑膠、白膠和單層膠三種。常用的黑膠片是三層結構的:黑色素,熔點66℃;PE,熔點105℃;PP,熔點137℃。極耳的成品包裝分為盤式(整條金屬帶通過設備加上膠片后整條的卷繞成盤)和板式(金屬帶加上膠片后裁切成單個的,然后成排擺放用兩片薄透明塑料片夾在中間)。


      鋰離子電池極耳設計公式(圖40)


      鋰電池極耳連接方法

      1.鉆孔攻絲后上螺絲。
      優點:機械連接強度高,牢固可靠,費用低。
      缺點:由于厚度未知,存在一定風險。

      2.鉆孔攻絲后用普通焊錫焊接銅絲,用鋁塊試驗,步驟:打孔功絲用錫焊絲把空塞滿中間別忘了塞銅絲銅絲1.0的烙鐵化錫老虎鉗拉不下來銅絲為保險起見一個極柱最好兩到三個空然后上紫銅帶相當牢固。

      優點:設備簡單,容易操作,費用低。
      缺點:焊接是否牢固有待檢驗。

      3.使用M51焊絲(低溫焊絲)直接焊接,焊接材料:M51+M51-F,低溫銅鋁焊接。M51是WEWELDING-M51的簡稱,也叫萬能51,是美國R&D工業公司出廠的牌號,它是一種含有特殊稀有元素的低溫銅鋁焊絲,2010年由威歐?。ㄌ旖颍┖附蛹夹g有限公司引進中國大陸主要用于在低溫下解決幾乎所有白色金屬的顯著能力,白色金屬包括鋅(幾乎不能焊接)、銅鉛合金、錫鉛合金、鋁和鉛等。M51還可將上述任何一種金屬與銅、黃銅、鋼、不銹鋼或青銅等其他任何金屬焊合。馬云家上搜索,價格有點小貴,直徑1.3毫米3米長的M51就要25元,M51-F助焊劑一小瓶就要50元。

      優點:介紹上說設備簡單、焊接牢固
      缺點:費用偏高,是否牢固有待檢驗

      鋰離子電池極耳設計公式(圖41)

      4.超聲波焊接

      軟包裝鋰離子動力電池極耳焊接結構技術方案是在正、負極耳焊接時,直接將極耳金屬片與電池集流體通過超聲焊接機以直焊的方式焊接。

      鋰離子電池的電芯在制作過程中,電芯由多層電芯極片疊加而成,每層電芯箔片伸出一層極耳箔片,在電芯箔片對齊后極耳箔片也貼合并對齊在一起,需要將電芯箔片焊接在一起形成電芯,并把極耳箔片焊接在一起形成極耳,由于極耳箔片很薄,僅有0.01mm左右,因此傳統一般通過超聲波焊接,焊接時在疊加后的極耳箔片的下部墊上底模作為支撐,將超聲波焊接裝置的焊頭壓在疊加后的極耳箔片上并通過焊頭給極耳箔片施加一定的壓力,然后開動超聲波焊接裝置,焊頭直接輸出超聲波,在高頻振動下實現相鄰極耳箔片上原子的共振,從而將極耳箔片結合在一起。

      鋰離子電池極耳設計公式(圖42)

      鋰離子電池極耳設計公式(圖43)

      鋰離子電池極耳設計公式(圖44)

      鋰電池超聲波極片極耳焊接機



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