儲能材料與器件制造實驗教學設計

陳明華，王凡，王宇晴

儲能材料與器件制造實驗教學設計

陳明華，王凡，王宇晴

（哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

儲能材料與器件制造課程對于培養學生儲能器件制造與動手實踐能力具有重要意義．軟包鋰離子電池相對于同等規模的鋼殼電池容量高，且重量輕．設計了一套軟包鋰離子電池制作工藝與測試實驗教學平臺，涵蓋了電極制作及軟包電池組裝等多個單元，加強學生對軟包電池制作工藝的認識與了解，實現對理論知識與實際操作的綜合發展．該實驗平臺對掌握電池制作工藝具有重要意義，同時可為高校開展電池制作類實驗教學提供理論與硬件支撐，培養學生的科研意識、動手能力及團隊合作能力．

儲能材料與器件制造；鋰離子軟包電池；制作工藝

儲能材料與器件制造課程是儲能科學與工程、新能源材料與器件本科生專業和電氣工程研究生專業必修的一門重要專業課．隨著不可再生化石燃料的開發利用，全世界正面臨著嚴峻的能源危機．這些問題迫使科研學者更加積極探索低成本的新型能源存儲系統．可充電鋰離子電池作為電化學儲能器件在各儲能系統中應用廣泛，被認為是最有發展前景的綠色能源之一[1-6]，已得到驗證是解決全球能源危機的高效儲能設備．目前，電動汽車正處于高速發展階段，對于其續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現更高的能量密度．實現小型電池向大型電池轉換，需對電解液用量及種類（固態電解質、液態電解質）、電極材料面密度以及壓實密度等工藝進行改進以實現性能最優化．

軟包鋰離子電池采用鋁塑膜作為外殼，安全性高、重量輕、外形設計靈活，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．卷繞式是將連續的正極片、隔膜以及負極片進行卷繞，形成圓柱形電池．卷繞式電池只有2個內接極耳，焊接工藝簡單，但內阻大、極化嚴重．疊片式工藝是將模切好的正極片和負極片依次疊放，通過隔膜將其分隔．分別對正極極耳和負極極耳進行焊接，并通過外接極耳引出．疊片式電芯內阻較小，適用于大電流電池，應用范圍更廣．

軟包電池組裝工藝與測試作為一種新型實驗手段，涉及了組裝與測試技術、電池技術等多個學科，作為一種集理論知識與操作應用于一體的綜合性教學手段，軟包電池制作工藝與測試實驗平臺對于培養專業應用型學生是高校教學所不可或缺的．實驗過程中學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、性能測試及原理．該平臺意在培養學生的實驗操作、數據分析以及科研思維[7-9]，促進綜合型人才的培養．

1 實驗材料與設備

本實驗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．

實驗設備包括雙行星真空攪拌機，間歇式實驗涂布機，液壓平衡電動對輥機，自動裁切機，極片模切機，半自動疊片機，超聲波金屬點焊機，鋁塑膜成型機，單工位熱封機，柱塞泵精密注射液設備，真空靜置箱，軟包電池真空預封機，極片短路測試靜壓機，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 導電劑 導電劑在粉末材料制作電極片過程中扮演著至關重要的角色．導電劑的加入能夠在材料之間形成穩定的導電框架，加快電子遷移．目前存在的導電劑主要包括導電石墨、導電炭黑及導電碳纖維．其中，導電石墨具有比容量大、循環穩定性好的優勢，但柔韌性較差[10]；導電炭黑尺寸較小，可以提高與電極材料的接觸面積，提升材料的循環穩定性，常用的炭黑材料包括Super P、科琴黑等[11-13]；導電碳纖維具有優良的柔韌性，但它的粒徑小，比表面能大，易團聚[14-15]．完全分散的碳納米管漿料是目前商業電池中應用較廣泛的一種導電碳纖維．

2.1.2 粘結劑 粘結劑的作用是將活性物質進行粘結，并使活性物質可以附著在集流體上，是制作電極片不可或缺的部分．粘結劑的添加可以緩解離子脫嵌過程中活性物質的體積膨脹，提升電池的循環穩定性．目前常用的粘結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年首次用于商業鋰離子硅基電池的粘結劑[16-17]．研究表明，CMC做為粘結劑能夠有效緩解硅的體積膨脹所造成的固態電解質膜（SEI）破裂的問題，進而提升電池的循環穩定性．SBR是由丁二烯和苯乙烯共聚反應合成的彈性體，能增加電極材料的柔韌性[18]．實驗過程中，通常將SBR和CMC按照一定比例混合作為粘結劑使用．

2.1.3 電極制作工藝 電極漿料制作應遵循電極片烘干后不發生材料脫落并具有優異導電性的原則，因此活性物質、導電劑與粘結劑的比例調配對電極的性能至關重要．

做好基本的圖片處理之后，接下來我們需要對圖層面板進行一定的設置，以便于接下來的調整操作更加容易進行。單擊圖層面板右上方四條橫線圖標的按鈕，從彈出菜單中選擇面板選項命令。在縮覽圖大小部分，將其設置為無，讓圖層面板顯示的圖層數量更多一些。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、綠等不同顏色標記出了反差、色溫、色彩、漸變、暗角和邊框六個功能區域，基本囊括了風光攝影作品所需要的一切常規后期處理操作。

電池負極制備工藝：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中持續攪拌直至混合均勻，加入一定的導電劑（Super P）繼續攪拌直至均勻，最后加入活性物質（石墨）攪拌形成均勻漿料，活性材料、導電劑與粘結劑的比例為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，在真空攪拌機中攪拌均勻，加入一定比例的Super P繼續攪拌，最終加入活性物質（鈷酸鋰）攪拌形成均勻漿料，活性物質、導電劑與粘結劑的比例為87∶8∶5．

2.2 電極片涂布及壓片

2.2.1 間歇式實驗涂布機工作原理 該設備采用三輥式涂布，涂布輥的旋轉方向和基材傳遞方向相反，刮刀不轉動．首先通過涂布輥將漿料帶動，經過刮刀控制其厚度，隨后漿料被轉移到箔材表面．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節．

涂布完成后經過加熱裝置進行預烘干．

2.2.2 壓片合理的壓實密度，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，一定的壓實密度可以減少電解液的用量．適當的電解液用量可以同時實現降低成本和減輕電池整體重量．因此，探索適當的壓實密度對于實現高能量密度的軟包鋰離子電池商業化具有重要的意義．

2.3 裁片

首先通過自動裁切機（見圖2a）對涂布完成的電極片進行裁切處理，隨后使用極片模切機（見圖2b）依據鋰離子電池型號對極片進一步裁切，得到所需尺寸的電極片．

圖2 裁片及模切實驗裝置實物

2.4 疊片

2.5 焊接極耳

疊好電芯后通過超聲波金屬點焊機分別對正負極耳進行點焊，焊接過程中應避免虛焊等問題．超聲波焊接不同于其它焊接方式，工作時焊件中沒有電流通過，也不會產生焊弧，屬于機械焊接．焊接過程是利用換能器將超聲頻大功率振蕩信號轉換成相應頻率的機械能，并施加到被焊物的界面處，使界面瞬間釋放大量的熱，導致金屬晶格中的粒子被激活并且相互運動，從而實現焊接的效果．焊接過程中不會出現熱傳導與電阻率等問題，是焊接有色金屬的理想方式．超聲波焊接具有優勢：

（1）焊接時間短，通常0.01～2 s便可實現焊接；

（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）焊接后導電性良好，電阻系數接近零；

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

（5）不需要對材料進行預處理，不需要焊錫等添加物，經濟方便；

（6）焊接時不產生火花，安全無污染．

2.6 沖殼及熱封

鋁塑膜成型機（見圖3a）利用氣液增壓原理產生一定的壓力，通過氣缸驅動模具作用于鋁塑膜表面，使鋁塑膜產生所需形狀．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，鋁塑膜拉伸成形時會出現“角位破損”的問題，因此，應采用合理的參數避免該狀況的發生．鋁塑膜作為軟包電池的外殼，安全系數高，不會像鋼殼電池一樣發生劇烈的爆炸．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（見圖3b）對其邊緣進行密封，此時預留一側以備注液使用．在熱封過程中應注意褶皺問題，尤其是極耳周圍．應定期清理、維護設備以達到最佳的熱封效果．

圖3 鋁塑膜成型及熱封實驗裝置實物

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，電解液的用量會直接影響電池性能．過量的電解液會提高電池的制作成本，同時過量的電解液會在循環過程中分解，產生氣體，影響正負極之間的接觸，從而導致電池性能退化并引起安全問題；不足的電解液會導致鋰離子在傳輸過程中受到限制，增大電池內阻，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，同時盡可能地提升電極的壓實密度[20]．然而，更薄的隔膜以及更大的壓實密度會導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格的生產工藝是保障電池性能的關鍵因素．本實驗采用真空靜置箱對注液后的軟包電池進行處理，通過在密封的箱體內分段形成不同動態真空度的環境，將電芯內的空氣及電解液內的氣體抽走．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，實現與極片和隔膜的充分浸潤．隨后，采用軟包電池真空預封機將預留的注液口進行密封，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對制作完成的軟包電池進行短路測試．依據高壓擊穿原理，對電池的極板實施微短路測試，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，對電池進行充放電循環幾個周期，對循環后的電池進行針刺實驗，并通過二次真空終封機再進行封裝．針刺封裝是為了排放多余的電解液和殘留的渾濁空氣．針刺封裝的特點是針刺的同時進行抽真空和熱封，排除多余液體的同時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境中完成．

2.9 軟包電池實際應用測試

軟包電池的實物見圖4a，其工作電壓在 3.8 V左右，可以將白色 LED的“HUST”圖案電路板點亮（見圖4b），且發光亮度較高．通過電池測試系統（見圖4c）進行測試，可以實現優異的電池性能．

圖4 軟包電池實物及其測試軟件頁面

3 結語

培養學生創新思維、科研與實踐能力是各高校重要的戰略目標，而實驗教學是促成這一目標的重要手段．本文開發了一套軟包鋰離子電池制作工藝實驗教學平臺，詳細介紹了軟包電池制作工藝流程，能夠加強學生對軟包鋰離子電池的了解，提高學生的理論知識水平與實踐能力．同時，該平臺能夠培養學生實際操作、分析問題、解決問題的能力．這種科研與教學的結合，能夠開闊學生視野，激發學生的創新意識，從而培養其創新精神和科學素養．

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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

國家自然科學基金優秀青年科學基金項目（52122702）；黑龍江省杰出青年基金項目（JQ2021E005）

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