一般的鋰電池正負極端是通過(guò)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(guò)流能力有著(zhù)重要影響,下面介紹一下極耳設計理論
一、極耳材質(zhì)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(diǎn)在 1200℃~1400℃。
(2)銅極耳的安全載流值5-8A/mm2,銅的電導率在584000 S/cm,熔點(diǎn)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(diǎn)在 ≈660℃。
二、極耳的幾何位對阻抗影響理論設計
集流體(箔材)過(guò)流離極耳越遠,過(guò)電流過(guò)弱;平均電流值為集流體一半,簡(jiǎn)單說(shuō)有效阻抗Reff為集流體阻抗值Ro一半
Reff=Rc/2 或 Ra/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
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
E=(I/3)2*(Ro/6)+(2I/3)2*(2Ro/6)= I2*(1/6)Ro
(3)單極耳位于任意位
E=I2*[x2*x/2+(1-x)2*(1-x)/2]Ro
(4)雙極耳位于任意位
1.電池極耳是什么?
極耳,是軟包鋰離子電池產(chǎn)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(lái)的金屬導電體,通俗的說(shuō)電池正負兩極的耳朵是在進(jìn)行充放電時(shí)的接觸點(diǎn)。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。
2.極耳的分類(lèi)
2.1按極耳金屬帶材質(zhì)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(shí),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(lèi)小電池上,例如:手機電池、移動(dòng)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(dòng)力電池和高倍率電池。
2.2 按照極耳膠來(lái)分(國內市場(chǎng)):
⑴黑膠極耳,一般用在中低端數碼類(lèi)小電池上。
⑵黃膠極耳,一般用在中低端動(dòng)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(dòng)力電池和高倍率電池上。
2.3極耳的成品包裝分為:
⑴盤(pán)式極耳(整條金屬帶通過(guò)設備加上膠片后整條的卷繞成盤(pán)),用在自動(dòng)化生產(chǎn)產(chǎn)線(xiàn)
⑵板式極耳(金屬帶加上膠片后裁切成單個(gè)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(chǎn)產(chǎn)線(xiàn)。
3.電池極耳金屬帶材質(zhì)
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(wú)氧銅,氧和雜質(zhì)含量極低,純度高,導電導熱性極好,延展性極好,透氣率低,無(wú)“氫病”或極少“氫病”;加工性能、焊接、耐蝕耐寒性均好。
4.各種品牌極耳膠結構與性質(zhì)
4.1 各種品牌極耳膠結構
目前極耳膠都是從日本進(jìn)口而來(lái),極耳膠生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)是:PP材料的分子量要控制在一個(gè)比較窄的范圍內,目前國內的技術(shù)生產(chǎn)出的PP膠達不到要求。
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(zhì)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(gè)表面的改性PP材質(zhì)不同,一面是親金屬性改性PP,另一個(gè)表面是親塑性改性PP。這種極耳膠,制作極耳時(shí)一旦極耳膠表面用反了,則必定會(huì )造成電芯漏液氣脹事故。
目前國內市場(chǎng)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(hù)大多采用單 層凸版80μm和50μm白膠。一般中低端客戶(hù)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。
4.2 各品牌極耳膠性能
DNP黃膠結構為中間功能層UHR(為無(wú)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(diǎn)為310~340℃,PPa熔點(diǎn)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(diǎn):
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(wú)紡布,水分會(huì )從無(wú)紡布中通過(guò)毛細管滲透作用引入到電池內部,使得電池發(fā)鼓氣脹。
3)無(wú)紡布容易分層,熱壓效果不好,電芯使用時(shí)間或擱置時(shí)間長(cháng)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(diǎn)為265℃,PPa熔點(diǎn)為147℃。黑膠其功能層PEN和PP層為不同物質(zhì)復合,存在分層風(fēng)險,高端客戶(hù)一般不采用此膠。
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(lèi)似于初期的鋁塑膜內層,熔點(diǎn)在140℃以上,與鋁塑膜的內層CPP熔點(diǎn)接近。
三層結構白膠表面兩層改性PP和中間骨架層PP經(jīng)共擠制得,不存在分層風(fēng)險,高端客戶(hù)及動(dòng)力電芯一般都采用此類(lèi)極耳膠。
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(zhì)復合,界面多,經(jīng)過(guò)電解液浸泡后本身會(huì )分層剝離。PEN熔點(diǎn)為265℃,PPa熔點(diǎn)為147℃。且黑膠PPa層里還有3種不同融點(diǎn)的物質(zhì),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(diǎn)300℃以上,所以熱封時(shí)會(huì )更好操作。中間功能層改用了無(wú)紡纖維層代替原來(lái)的聚萘二甲酸乙二醇酯,界面融合較黑膠好,但仍然無(wú)法解決不同物質(zhì)之間的徹底融合問(wèn)題。黃膠由于本身PPa層技術(shù)的原因,在熱封后會(huì )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(shí),易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產(chǎn)生漏液、氣脹等。
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(jīng)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(wèn)題,增大了電池封裝時(shí)可操作的溫度范圍,提高了電池生產(chǎn)的成品率。
黃膠極耳由于本身PP層技術(shù)的原因,在熱封后會(huì )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(shí),易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產(chǎn)生漏液、氣脹等,而白膠極耳由于3個(gè)功能層使用的材料屬于同類(lèi)物質(zhì)(PP類(lèi)),在熱封后仍可以保持極高的柔韌性。
5.3 白膠極耳和單層白膠的比較
單層白膠類(lèi)似于初期的鋁塑膜內層,因只有一個(gè)融點(diǎn),熱封溫度超過(guò)融點(diǎn)則易導致完全熔解短路,熱封溫度在不足時(shí)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(lèi)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(huì )社80μm厚單層白膠極耳硬封封裝拉力測試比較:
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(lèi)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(guò)程中用反了,則電芯在極耳膠處必然會(huì )發(fā)生漏液事故,國內已經(jīng)發(fā)生多次此類(lèi)事故。而如果嚴格控制極耳制作過(guò)程,不發(fā)生用錯極耳膠正反面的問(wèn)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:
5.5 日立三層白膠和單層白膠
5.6 日立三層白膠和單層白膠DSC圖
6.1 電池極耳生產(chǎn)流程(白膠)
動(dòng)力銅鍍鎳極耳:銅保證導電性;經(jīng)過(guò)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(jìn)行二次處理。市場(chǎng)上一些公司的極耳不進(jìn)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(yè)生產(chǎn)中,鍍鎳主要采用電鍍鎳和化學(xué)鍍鎳工藝兩種,電鍍鎳層厚度1.8±0.3um,化學(xué)鍍鎳層厚度1.0±0.3um。
6.2 動(dòng)力極耳金屬帶削邊處理
動(dòng)力極耳的金屬帶厚度超過(guò)0.2mm時(shí),其臺階厚度超過(guò)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(chǎn)生脹氣漏液的風(fēng)險。
7.電池極耳的測試
7.1 電解液浸泡后滲透測試
7.2.1 電解液浸泡后熱封強度測試
7.2.2 電解液浸泡后滲透測試
參照:日本某EV電芯廠(chǎng)家對EV與ESS極耳的技術(shù)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(dòng)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。
7.3 彎折測試
厚度<0.2mm時(shí):鋁、鎳Tab≥7次;鍍鎳銅≥6次;
厚度≥0.2mm時(shí):鋁、鎳、鍍鎳銅Tab≥5次;
符合EV動(dòng)力應用的耐震、耐疲勞韌性測試。
7.4.1 銅鍍鎳動(dòng)力極耳——鍍層密著(zhù)性測試
要求:鍍層無(wú)發(fā)黑。
長(cháng)時(shí)間大電流、行駛震動(dòng)等情況下鍍層性能不足時(shí)會(huì ):
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(dòng)——接觸內阻變大——or焊接處脫落。
7.4.2 金屬極耳導體關(guān)鍵參數對比
7.5 盤(pán)式極耳——膠塊脆化程度測試
“極耳”是一個(gè)“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(guò)極耳將電引出來(lái)及產(chǎn)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。
一個(gè)極耳是由兩片膠片把金屬帶夾在中間的。目前市場(chǎng)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(diǎn)66℃;PE,熔點(diǎn)105℃;PP,熔點(diǎn)137℃。極耳的成品包裝分為盤(pán)式(整條金屬帶通過(guò)設備加上膠片后整條的卷繞成盤(pán))和板式(金屬帶加上膠片后裁切成單個(gè)的,然后成排擺放用兩片薄透明塑料片夾在中間)。
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(mǎn)中間別忘了塞銅絲銅絲1.0的烙鐵化錫老虎鉗拉不下來(lái)銅絲為保險起見(jiàn)一個(gè)極柱最好兩到三個(gè)空然后上紫銅帶相當牢固。
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(jiǎn)稱(chēng),也叫萬(wàn)能51,是美國R&D工業(yè)公司出廠(chǎng)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(shù)有限公司引進(jìn)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(zhù)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(jià)格有點(diǎn)小貴,直徑1.3毫米3米長(cháng)的M51就要25元,M51-F助焊劑一小瓶就要50元。
4.超聲波焊接
軟包裝鋰離子動(dòng)力電池極耳焊接結構技術(shù)方案是在正、負極耳焊接時(shí),直接將極耳金屬片與電池集流體通過(guò)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(guò)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(guò)超聲波焊接,焊接時(shí)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(guò)焊頭給極耳箔片施加一定的壓力,然后開(kāi)動(dòng)超聲波焊接裝置,焊頭直接輸出超聲波,在高頻振動(dòng)下實(shí)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。