陳明華，王凡，王宇晴

儲(chǔ)能材料與器件制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

陳明華，王凡，王宇晴

（哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

儲(chǔ)能材料與器件制造課程對于培養(yǎng)學(xué)生儲(chǔ)能器件制造與動(dòng)手實(shí)踐能力具有重要意義．軟包鋰離子電池相對于同等規(guī)模的鋼殼電池容量高，且重量輕．設(shè)計(jì)了一套軟包鋰離子電池制作工藝與測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，涵蓋了電極制作及軟包電池組裝等多個(gè)單元，加強(qiáng)學(xué)生對軟包電池制作工藝的認(rèn)識(shí)與了解，實(shí)現(xiàn)對理論知識(shí)與實(shí)際操作的綜合發(fā)展．該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對掌握電池制作工藝具有重要意義，同時(shí)可為高校開展電池制作類實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供理論與硬件支撐，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)、動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)合作能力．

儲(chǔ)能材料與器件制造；鋰離子軟包電池；制作工藝

儲(chǔ)能材料與器件制造課程是儲(chǔ)能科學(xué)與工程、新能源材料與器件本科生專業(yè)和電氣工程研究生專業(yè)必修的一門重要專業(yè)課．隨著不可再生化石燃料的開發(fā)利用，全世界正面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)．這些問題迫使科研學(xué)者更加積極探索低成本的新型能源存儲(chǔ)系統(tǒng)．可充電鋰離子電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能器件在各儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的綠色能源之一[1-6]，已得到驗(yàn)證是解決全球能源危機(jī)的高效儲(chǔ)能設(shè)備．目前，電動(dòng)汽車正處于高速發(fā)展階段，對于其續(xù)航能力的要求也在逐步提升．因此，鋰離子電池正逐漸趨于大型化及軟包化以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度．實(shí)現(xiàn)小型電池向大型電池轉(zhuǎn)換，需對電解液用量及種類（固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)）、電極材料面密度以及壓實(shí)密度等工藝進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)化．

軟包鋰離子電池采用鋁塑膜作為外殼，安全性高、重量輕、外形設(shè)計(jì)靈活，是一種具有高能量密度的新型綠色電池．目前，商用軟包電池電芯的制作工藝主要分為卷繞式和疊片式．卷繞式是將連續(xù)的正極片、隔膜以及負(fù)極片進(jìn)行卷繞，形成圓柱形電池．卷繞式電池只有2個(gè)內(nèi)接極耳，焊接工藝簡單，但內(nèi)阻大、極化嚴(yán)重．疊片式工藝是將模切好的正極片和負(fù)極片依次疊放，通過隔膜將其分隔．分別對正極極耳和負(fù)極極耳進(jìn)行焊接，并通過外接極耳引出．疊片式電芯內(nèi)阻較小，適用于大電流電池，應(yīng)用范圍更廣．

軟包電池組裝工藝與測試作為一種新型實(shí)驗(yàn)手段，涉及了組裝與測試技術(shù)、電池技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，作為一種集理論知識(shí)與操作應(yīng)用于一體的綜合性教學(xué)手段，軟包電池制作工藝與測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對于培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用型學(xué)生是高校教學(xué)所不可或缺的．實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可以充分了解并掌握鋰離子軟包電池電極材料的制作、組裝工藝及注意事項(xiàng)、性能測試及原理．該平臺(tái)意在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析以及科研思維[7-9]，促進(jìn)綜合型人才的培養(yǎng)．

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)室所涉及的材料包括石墨，羧甲基纖維素鈉，Super P，鈷酸鋰，聚偏氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮，去離子水，隔膜，銅箔，鋁箔，極耳，鋁塑膜等．

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括雙行星真空攪拌機(jī)，間歇式實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)，液壓平衡電動(dòng)對輥機(jī)，自動(dòng)裁切機(jī)，極片模切機(jī)，半自動(dòng)疊片機(jī)，超聲波金屬點(diǎn)焊機(jī)，鋁塑膜成型機(jī)，單工位熱封機(jī)，柱塞泵精密注射液設(shè)備，真空靜置箱，軟包電池真空預(yù)封機(jī)，極片短路測試靜壓機(jī)，艾譜瑞斯手套箱．

2 鋰離子軟包電池制作工藝

鋰離子軟包電池制作工藝流程見圖1.

圖1 鋰離子軟包電池制作工藝流程

2.1 電極材料制作

2.1.1 導(dǎo)電劑 導(dǎo)電劑在粉末材料制作電極片過程中扮演著至關(guān)重要的角色．導(dǎo)電劑的加入能夠在材料之間形成穩(wěn)定的導(dǎo)電框架，加快電子遷移．目前存在的導(dǎo)電劑主要包括導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電炭黑及導(dǎo)電碳纖維．其中，導(dǎo)電石墨具有比容量大、循環(huán)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢，但柔韌性較差[10]；導(dǎo)電炭黑尺寸較小，可以提高與電極材料的接觸面積，提升材料的循環(huán)穩(wěn)定性，常用的炭黑材料包括Super P、科琴黑等[11-13]；導(dǎo)電碳纖維具有優(yōu)良的柔韌性，但它的粒徑小，比表面能大，易團(tuán)聚[14-15]．完全分散的碳納米管漿料是目前商業(yè)電池中應(yīng)用較廣泛的一種導(dǎo)電碳纖維．

2.1.2 粘結(jié)劑 粘結(jié)劑的作用是將活性物質(zhì)進(jìn)行粘結(jié)，并使活性物質(zhì)可以附著在集流體上，是制作電極片不可或缺的部分．粘結(jié)劑的添加可以緩解離子脫嵌過程中活性物質(zhì)的體積膨脹，提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性．目前常用的粘結(jié)劑包括羧甲基纖維素（CMC）、丁苯膠乳（SBR）和聚偏氟乙烯（PVDF）．CMC作為離子型線性高分子材料，在2003年首次用于商業(yè)鋰離子硅基電池的粘結(jié)劑[16-17]．研究表明，CMC做為粘結(jié)劑能夠有效緩解硅的體積膨脹所造成的固態(tài)電解質(zhì)膜（SEI）破裂的問題，進(jìn)而提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性．SBR是由丁二烯和苯乙烯共聚反應(yīng)合成的彈性體，能增加電極材料的柔韌性[18]．實(shí)驗(yàn)過程中，通常將SBR和CMC按照一定比例混合作為粘結(jié)劑使用．

2.1.3 電極制作工藝 電極漿料制作應(yīng)遵循電極片烘干后不發(fā)生材料脫落并具有優(yōu)異導(dǎo)電性的原則，因此活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的比例調(diào)配對電極的性能至關(guān)重要．

做好基本的圖片處理之后，接下來我們需要對圖層面板進(jìn)行一定的設(shè)置，以便于接下來的調(diào)整操作更加容易進(jìn)行。單擊圖層面板右上方四條橫線圖標(biāo)的按鈕，從彈出菜單中選擇面板選項(xiàng)命令。在縮覽圖大小部分，將其設(shè)置為無，讓圖層面板顯示的圖層數(shù)量更多一些。單擊確定回到圖層面板，可以看到圖層面板中使用灰、紫、黃、橙、紅、綠等不同顏色標(biāo)記出了反差、色溫、色彩、漸變、暗角和邊框六個(gè)功能區(qū)域，基本囊括了風(fēng)光攝影作品所需要的一切常規(guī)后期處理操作。

電池負(fù)極制備工藝：將去離子水與羧甲基纖維素鈉（CMC）按照一定比例混合，在雙行星真空攪拌機(jī)中持續(xù)攪拌直至混合均勻，加入一定的導(dǎo)電劑（Super P）繼續(xù)攪拌直至均勻，最后加入活性物質(zhì)（石墨）攪拌形成均勻漿料，活性材料、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的比例為9∶5∶5．

電池正極制備工藝：將聚偏氟乙烯（PVDF）溶解于N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，在真空攪拌機(jī)中攪拌均勻，加入一定比例的Super P繼續(xù)攪拌，最終加入活性物質(zhì)（鈷酸鋰）攪拌形成均勻漿料，活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的比例為87∶8∶5．

2.2 電極片涂布及壓片

2.2.1 間歇式實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)工作原理 該設(shè)備采用三輥式涂布，涂布輥的旋轉(zhuǎn)方向和基材傳遞方向相反，刮刀不轉(zhuǎn)動(dòng)．首先通過涂布輥將漿料帶動(dòng)，經(jīng)過刮刀控制其厚度，隨后漿料被轉(zhuǎn)移到箔材表面．其中，刮刀與涂布輥之間的距離需要精確控制，漿料的涂布厚度由兩輥輪間隙和涂布輥與刮刀之間的相對速度調(diào)節(jié)．

涂布完成后經(jīng)過加熱裝置進(jìn)行預(yù)烘干．

2.2.2 壓片合理的壓實(shí)密度，可縮短電極材料之間的距離，縮短鋰離子的遷移路徑，并減小界面電阻，使電池具有更快的電荷傳輸速率和更大的界面接觸面積，從而獲得更高的容量和庫倫效率．此外，一定的壓實(shí)密度可以減少電解液的用量．適當(dāng)?shù)碾娊庖河昧靠梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)降低成本和減輕電池整體重量．因此，探索適當(dāng)?shù)膲簩?shí)密度對于實(shí)現(xiàn)高能量密度的軟包鋰離子電池商業(yè)化具有重要的意義．

2.3 裁片

首先通過自動(dòng)裁切機(jī)（見圖2a）對涂布完成的電極片進(jìn)行裁切處理，隨后使用極片模切機(jī)（見圖2b）依據(jù)鋰離子電池型號(hào)對極片進(jìn)一步裁切，得到所需尺寸的電極片．

圖2 裁片及模切實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

2.4 疊片

2.5 焊接極耳

疊好電芯后通過超聲波金屬點(diǎn)焊機(jī)分別對正負(fù)極耳進(jìn)行點(diǎn)焊，焊接過程中應(yīng)避免虛焊等問題．超聲波焊接不同于其它焊接方式，工作時(shí)焊件中沒有電流通過，也不會(huì)產(chǎn)生焊弧，屬于機(jī)械焊接．焊接過程是利用換能器將超聲頻大功率振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的機(jī)械能，并施加到被焊物的界面處，使界面瞬間釋放大量的熱，導(dǎo)致金屬晶格中的粒子被激活并且相互運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)焊接的效果．焊接過程中不會(huì)出現(xiàn)熱傳導(dǎo)與電阻率等問題，是焊接有色金屬的理想方式．超聲波焊接具有優(yōu)勢：

（1）焊接時(shí)間短，通常0.01～2 s便可實(shí)現(xiàn)焊接；

（2）工作溫度低于退火溫度，避免了工作物金相組織的改變，熔接更牢固，熔接口整齊清潔；

（3）焊接后導(dǎo)電性良好，電阻系數(shù)接近零；

（4）金屬表面有少量的污染物和氧化物時(shí)，不需要進(jìn)行表面處理，即可實(shí)現(xiàn)完美焊接；

（5）不需要對材料進(jìn)行預(yù)處理，不需要焊錫等添加物，經(jīng)濟(jì)方便；

（6）焊接時(shí)不產(chǎn)生火花，安全無污染．

2.6 沖殼及熱封

鋁塑膜成型機(jī)（見圖3a）利用氣液增壓原理產(chǎn)生一定的壓力，通過氣缸驅(qū)動(dòng)模具作用于鋁塑膜表面，使鋁塑膜產(chǎn)生所需形狀．利用增壓缸的出力壓緊膜片，凸膜伸出即將膜片拉伸至所需深度．目前，鋁塑膜拉伸成形時(shí)會(huì)出現(xiàn)“角位破損”的問題，因此，應(yīng)采用合理的參數(shù)避免該狀況的發(fā)生．鋁塑膜作為軟包電池的外殼，安全系數(shù)高，不會(huì)像鋼殼電池一樣發(fā)生劇烈的爆炸．鋁塑膜還具有一定的靈活性，可以制作不同形狀、厚度的電池殼，是一種新型的高能量密度、綜合性能更好的綠色電池．

將電芯放入成形后的鋁塑膜中，通過單工位熱封機(jī)（見圖3b）對其邊緣進(jìn)行密封，此時(shí)預(yù)留一側(cè)以備注液使用．在熱封過程中應(yīng)注意褶皺問題，尤其是極耳周圍．應(yīng)定期清理、維護(hù)設(shè)備以達(dá)到最佳的熱封效果．

圖3 鋁塑膜成型及熱封實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

2.7 注液、靜置及封口

將半成品電池放入手套箱中并注入電解液，電解液的用量會(huì)直接影響電池性能．過量的電解液會(huì)提高電池的制作成本，同時(shí)過量的電解液會(huì)在循環(huán)過程中分解，產(chǎn)生氣體，影響正負(fù)極之間的接觸，從而導(dǎo)致電池性能退化并引起安全問題；不足的電解液會(huì)導(dǎo)致鋰離子在傳輸過程中受到限制，增大電池內(nèi)阻，影響其性能[19]．造成電解液不足的原因有：（1）電解液注入量不足；（2）注入的電解液沒有充分浸潤到電極材料之間；（3）循環(huán)過程中電解液被不斷消耗．目前，為了提升電池的能量密度，通常采用更高容量的電極材料以及更薄的隔膜，同時(shí)盡可能地提升電極的壓實(shí)密度[20]．然而，更薄的隔膜以及更大的壓實(shí)密度會(huì)導(dǎo)致更小的電解液吸收量．因此，合理的電解液用量以及更為嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝是保障電池性能的關(guān)鍵因素．本實(shí)驗(yàn)采用真空靜置箱對注液后的軟包電池進(jìn)行處理，通過在密封的箱體內(nèi)分段形成不同動(dòng)態(tài)真空度的環(huán)境，將電芯內(nèi)的空氣及電解液內(nèi)的氣體抽走．使電解液在自身重力與氣體壓力的共同作用下沿著電芯自下而上流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與極片和隔膜的充分浸潤．隨后，采用軟包電池真空預(yù)封機(jī)將預(yù)留的注液口進(jìn)行密封，得到所需的軟包電池．

2.8 軟包電池短路測試

通過極片短路測試靜壓機(jī)對制作完成的軟包電池進(jìn)行短路測試．依據(jù)高壓擊穿原理，對電池的極板實(shí)施微短路測試，通過漏電電流的大小來檢測電池極板短路情況及絕緣程度，此方法可以避免微短路造成的電池爆炸．隨后，對電池進(jìn)行充放電循環(huán)幾個(gè)周期，對循環(huán)后的電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，并通過二次真空終封機(jī)再進(jìn)行封裝．針刺封裝是為了排放多余的電解液和殘留的渾濁空氣．針刺封裝的特點(diǎn)是針刺的同時(shí)進(jìn)行抽真空和熱封，排除多余液體的同時(shí)有效地防止了渾濁空氣的回流，使電池化成后二次終封能夠在潔凈的環(huán)境中完成．

2.9 軟包電池實(shí)際應(yīng)用測試

軟包電池的實(shí)物見圖4a，其工作電壓在 3.8 V左右，可以將白色 LED的“HUST”圖案電路板點(diǎn)亮（見圖4b），且發(fā)光亮度較高．通過電池測試系統(tǒng)（見圖4c）進(jìn)行測試，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電池性能．

圖4 軟包電池實(shí)物及其測試軟件頁面

3 結(jié)語

培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、科研與實(shí)踐能力是各高校重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促成這一目標(biāo)的重要手段．本文開發(fā)了一套軟包鋰離子電池制作工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，詳細(xì)介紹了軟包電池制作工藝流程，能夠加強(qiáng)學(xué)生對軟包鋰離子電池的了解，提高學(xué)生的理論知識(shí)水平與實(shí)踐能力．同時(shí)，該平臺(tái)能夠培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作、分析問題、解決問題的能力．這種科研與教學(xué)的結(jié)合，能夠開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)．

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Experimental teaching design of energy storage materials and devices manufacturing

CHEN Minghua，WANG Fan，WANG Yuqing

（School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

The course energy storage materials and device manufacturing is of great significance for cultivating students′ energy storage device manufacturing and hands-on practical ability．The soft-packaged Lithium-ion battery has a higher capacity and lighter weight than the steel shell battery of the same size and specification．This experiment designed a set of soft-packaged Lithium-ion battery manufacturing processes and an experimental teaching platform，covering electrode manufacturing and soft-packaged Lithium-ion battery assembly and other units，to strengthen students′ understanding of soft-packaged Lithium-ion battery manufacturing process and realize the comprehensive development of theoretical knowledge and practical operation．The experimental platform is of great significance for mastering the battery manufacturing process and can provide hardware support for battery manufacturing experiment teaching in universities，and cultivate students′ scientific research consciousness， practical ability，and teamwork ability．

energy storage materials and devices manufacturing；soft-packaged Lithium-ion battery；production process

1007-9831（2022）05-0084-06

U469.72∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.05.016

2022-01-03

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（52122702）；黑龍江省杰出青年基金項(xiàng)目（JQ2021E005）

陳明華（1983-），男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，從事儲(chǔ)能技術(shù)及關(guān)鍵材料研究．E-mail：mhchen@hrbust.edu.cn