基于IEEE1725淺談鋰離子電芯制程檢查要求 ①

王晴晴，王彥兵，肖 華，符 靜，張 杰

(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057)

1 引言

隨著近幾年電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展和普及，鋰離子電池已經(jīng)進(jìn)入到普通大眾的日常生活中。最常見的如手機(jī)、電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、電動牙刷等等均是使用鋰離子電池作為供電源。鋰離子電池是用金屬鋰作為正極活性物質(zhì)，基于其本身的化學(xué)特性，如果存在生產(chǎn)缺陷或者使用不當(dāng)，很可能發(fā)生起火爆炸等危險(xiǎn)，對人身造成傷害[1]。IEEE1725，全名IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones，是針對移動電話的可充電電池的標(biāo)準(zhǔn)[2]。電池和移動電話行業(yè)需要標(biāo)準(zhǔn)化的可充電電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)，以及驗(yàn)證這些電池的質(zhì)量和可靠性，該標(biāo)準(zhǔn)旨在確保移動電話電池具有可靠的用戶體驗(yàn)和運(yùn)行性能，并可以指導(dǎo)制造商/供應(yīng)商規(guī)劃和實(shí)施用于移動電話的鋰離子和鋰離子聚合物可充電電池的設(shè)計(jì)和制造控制。IEEE1725建立了鋰離子電池的合格性、質(zhì)量和可靠性的設(shè)計(jì)分析準(zhǔn)則，出口到美國市場并需要接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的鋰離子電池通常會被要求滿足此標(biāo)準(zhǔn)的要求，越來越多的鋰離子電池采購商也開始參照此標(biāo)準(zhǔn)從源頭階段考慮鋰離子電池的安全性能。本文作者基于在鋰離子電池檢測認(rèn)證領(lǐng)域的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，特別總結(jié)了在生產(chǎn)階段可能對鋰離子電芯性能造成影響的關(guān)鍵因素，供電芯工廠及相關(guān)人員參考。

2 鋰離子電芯的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工序

2.1 鋰離子電芯的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池主要由5大部分組成：正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼[3]。

2.2 鋰離子電芯的生產(chǎn)工序

鋰離子電芯的生產(chǎn)工序繁多，工藝較為復(fù)雜，不同電芯工廠的生產(chǎn)工序也會存在差別，但從整體來看，按照生產(chǎn)的先后順序，關(guān)鍵環(huán)節(jié)可分為以下步驟：原材料→制漿→涂布→烘干→對輥→分切→卷繞→入殼→注液→封裝→化成→老化→分容→入庫[4]。

3 鋰離子電芯生產(chǎn)工序檢查要求

3.1 原材料

原材料工序重點(diǎn)檢查兩個(gè)方面：儲存和來料檢驗(yàn)。

根據(jù)原材料的不同，儲存通常又分為兩個(gè)部分：物料倉和化學(xué)品倉。其中正極、負(fù)極、隔膜、外殼及其他輔助物料如高溫/絕緣膠帶儲存在物料倉，電解液及其他化學(xué)添加劑作為危險(xiǎn)化學(xué)品單獨(dú)儲存在化學(xué)品倉。

原材料的存儲應(yīng)做好區(qū)域劃分，并設(shè)置對應(yīng)的區(qū)域標(biāo)識，避免不同物料混放以及造成混用。應(yīng)做好粉塵管控，采取必要的防塵措施。應(yīng)進(jìn)行溫濕度管控，配備溫濕度計(jì)并做好監(jiān)測記錄。溫濕度的限值除了考慮實(shí)際生產(chǎn)工藝，還需注意參照原材料規(guī)格書中的要求。如發(fā)現(xiàn)超標(biāo)情況，應(yīng)及時(shí)采取糾正措施。化學(xué)品倉應(yīng)額外注意通風(fēng)、避光、防靜電等。

來料檢驗(yàn)要求對原材料的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)并達(dá)到工廠規(guī)定的接收要求。工廠應(yīng)根據(jù)自身電芯的設(shè)計(jì)制定相應(yīng)的檢驗(yàn)規(guī)范，檢驗(yàn)應(yīng)依照檢驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，避免出現(xiàn)不一致以及與供應(yīng)商提供的出貨檢驗(yàn)報(bào)告相矛盾等現(xiàn)象。檢驗(yàn)時(shí)所使用的儀器設(shè)備應(yīng)進(jìn)行定期校準(zhǔn)和維護(hù)保養(yǎng)，校準(zhǔn)范圍應(yīng)注意覆蓋需要用到的區(qū)間。例如高低溫箱，筆者在實(shí)際檢查中曾多次發(fā)現(xiàn)只校準(zhǔn)了常溫的情況。IEEE1725中明確規(guī)定的參數(shù)要求有：隔膜應(yīng)具有足夠的化學(xué)、電化學(xué)、熱和機(jī)械穩(wěn)定性。絕緣材料在-40 ℃至150 ℃的溫度范圍內(nèi)，應(yīng)具有電化學(xué)、化學(xué)、機(jī)械和熱穩(wěn)定性，并應(yīng)具有良好的附著力和穿刺強(qiáng)度。正負(fù)極材料應(yīng)對雜質(zhì)的限值進(jìn)行識別。

3.2 制漿

正負(fù)極制漿應(yīng)配有相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)書。不管是自動配料還是人工配料，應(yīng)確保配料時(shí)所使用的原材料的量同理論計(jì)算值保持一致。攪拌罐的攪拌速率、壓力值、漿料的溫度等參數(shù)應(yīng)同工藝要求保持一致。應(yīng)對漿料中的磁性物質(zhì)等雜質(zhì)含量進(jìn)行階段性檢測控制及異物來源分析。應(yīng)對漿料的黏度、固含量等參數(shù)進(jìn)行檢測記錄以便監(jiān)控漿料的質(zhì)量是否滿足工藝要求。

3.3 涂布

涂布工序應(yīng)特別關(guān)注涂布車間的粉塵監(jiān)控，粉塵測量應(yīng)選取合適的時(shí)間、合適的地點(diǎn)，必要時(shí)通過對比分析找出粉塵濃度最高的時(shí)間和地點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)。例如在實(shí)際生產(chǎn)車間，通常存在倒班的情況，那么在交接班時(shí)，就可能會因人員流動而帶來粉塵濃度的升高。另外，車間內(nèi)外的換氣裝置在清潔內(nèi)部空氣的同時(shí)，其自身濾網(wǎng)的清潔也不容忽視，應(yīng)做好對濾網(wǎng)的清潔維護(hù)。

3.4 烘干

烘烤溫度和時(shí)間是烘干工序的重要參數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格依照作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行設(shè)置，如需調(diào)整，應(yīng)進(jìn)行記錄并保持可追溯性。烘干后測涂布量、面密度、厚度等是監(jiān)測涂布均勻性的重要指標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的管控并及時(shí)剔除損壞的極片。烘干卷繞后的極片放置應(yīng)注意采取適當(dāng)?shù)姆缐m措施，例如用薄膜包裹或者放入專門的密閉箱體中。

3.5 對輥

對輥壓力和速度是對輥工序的重要參數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格依照作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行設(shè)置，如需調(diào)整，應(yīng)進(jìn)行記錄并保持可追溯性。應(yīng)確保對輥機(jī)臺上的厚度測量儀器的工作是有效的，例如當(dāng)測得的厚度超過偏差限值時(shí)，應(yīng)啟動警報(bào)。

3.6 分切

分切時(shí)在極片分切處會產(chǎn)生毛刺，毛刺如果過長，制成電芯后會刺破隔膜造成正負(fù)極短路，所以合理管控毛刺是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)采用合適的二次元測量儀器對毛刺的高度進(jìn)行檢測。IEEE1725中明確規(guī)定了毛刺的高度應(yīng)小于隔膜厚度的一半，除非有充足的工程分析文件表明毛刺高度超標(biāo)不會導(dǎo)致內(nèi)部短路。分切所使用的分切刀屬于易損件，應(yīng)登記使用記錄并有相應(yīng)程序文件對更換頻率進(jìn)行限定。分切時(shí)還應(yīng)有合適的刷粉措施。筆者在實(shí)際檢查中發(fā)現(xiàn)，有些分切機(jī)器雖已安裝有刷粉毛刷，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)毛刷卻并未開啟，這種現(xiàn)象值得車間管理人員思考并進(jìn)行避免。

3.7 卷繞

卷繞車間預(yù)備使用的正負(fù)極、隔膜應(yīng)注意做好防塵措施，避免污染。卷繞工序應(yīng)依照作業(yè)指導(dǎo)書設(shè)置正確的卷繞張力等參數(shù)，確保卷繞的一致性，避免對電芯造成損壞。應(yīng)采取合適的刷粉除塵措施，避免將粉塵等雜質(zhì)引入電芯中。卷繞過程中極耳的焊接應(yīng)牢固可靠，焊接處應(yīng)采取必要的絕緣和隔離措施，避免對電芯造成損壞或內(nèi)部短路。卷繞后應(yīng)通過高壓測試、電阻測試、短路測試等方式識別出不符合的電芯并予以剔除。

3.8 入殼

入殼工序應(yīng)避免對電芯造成損壞，尤其是圓柱形電芯，入殼前極耳不能發(fā)生彎折，入殼后的底焊應(yīng)通過控制焊接面積、焊接點(diǎn)數(shù)等控制好牢固程度。

3.9 注液

注液工序應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測注液箱的露點(diǎn)溫度，對注液量和保液量進(jìn)行檢測，確保同作業(yè)指導(dǎo)書要求的一致。注液機(jī)的抽真空時(shí)間、抽真空次數(shù)、真空度和加壓時(shí)間等也是影響注液效果的關(guān)鍵因素，應(yīng)嚴(yán)格按照工廠的工藝要求進(jìn)行設(shè)置和檢查。

3.10 封裝

封裝工序應(yīng)避免對電芯造成損壞，封裝后應(yīng)采取合適的措施對電芯的漏液情況進(jìn)行檢查并將漏液的電芯剔除。應(yīng)采用視覺檢測系統(tǒng)，如X-Ray，對正負(fù)極的對齊度進(jìn)行100%檢測，IEEE1725中明確規(guī)定了應(yīng)確保負(fù)極至少比正極寬出0.1 mm，除非有充足的工程分析文件證明小于0.1 mm是合理的。

3.11 化成、老化、分容、入庫

化成是電芯制成前必要的激活過程，老化是將化成后的電芯在高溫下擱置一定的時(shí)間，通過擱置前后電壓的變化識別出可能存在缺陷的電芯。老化過程存在起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[5]，建議配備足夠的監(jiān)控和防護(hù)措施。工廠應(yīng)制定合適的老化分級標(biāo)準(zhǔn)，以便篩選出不同等級的電芯。老化后的電芯經(jīng)過電壓、內(nèi)阻、容量等性能檢測即可打包入庫。

3.12 其他檢查要求

根據(jù)IEEE1725要求，電芯工廠應(yīng)建立符合ISO90001的質(zhì)量管理體系。如果會有新產(chǎn)品導(dǎo)入，應(yīng)建立新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)程序。制程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)淖匪荽胧┮詫?shí)現(xiàn)過程溯源。所有區(qū)域應(yīng)進(jìn)行有效的溫濕度條件管理。關(guān)鍵生產(chǎn)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行有效的落塵管理。成品電芯應(yīng)通過UN38.3運(yùn)輸測試和UL1642安全測試。

4 結(jié)論

鋰離子電池是當(dāng)前重要的新能源產(chǎn)品之一，由于其自身特定的危險(xiǎn)性以及頻頻曝出的起火爆炸事件[6]，近年來在檢測認(rèn)證市場上得到越來越多的關(guān)注。我國是鋰離子電池的生產(chǎn)和出口大國，本文從鋰離子電芯的生產(chǎn)工序角度總結(jié)了制程檢查的關(guān)鍵點(diǎn)，為鋰離子電池的安全生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行提供參考。