粉末冶金锂电池的制造工艺的制作方法
【专利摘要】粉末冶金锂电池的制造工艺，涉及锂电池的制造技术领域。本发明突破现有湿式制程技术，以创新干式粉材工艺，含粉末冶金P/M工艺与粉末射出成型MIM工艺以及相关工艺之工艺方法等，可使产品更安全、质量更稳定、制程更简单，可以达到降低成本，来迎合市场需求，增加产品的使用安全性能。
【专利说明】
粉末冶金裡电池的制造工艺
技术领域
[0001]本发明涉及锂电池的制造技术领域。
【背景技术】
[0002]绿色新能源自渐崭露头角到蔚为新潮流的现在，尤以电动车用锂电池制程不稳定性与繁复，导致价格太高，相对于汽油的竞争性与便利性，很难打入一般消费市场。
[0003]全世界现行锂电池的制造方法都是先采用浆料涂布法制作成电池极板，先利用有机溶剂和黏着剂制成浆料，再将浆料涂布到金属导电材上，经粘着剂使活物颗粒紧固在金属导电极板上，把电池极板分条后，经由卷绕方式或裁成片状之堆栈方式作成电芯，然后再将电芯再放入金属罐或软包封装内，再依分别注液以雷射封装或真空加热封装，制作成各种形状尺寸容量之电池。
[0004]现今锂电池组装有三种方式:
(I)卷绕成Jel IyRol I后以入罐焊接或以crimping之方式。
[0005](2)卷绕成JellyRoll后以铝箔软包装之方式。
[0006](3)将电极板裁成片状后以堆栈铝箔软包装之方式。
[0007]随着电池的高容量需求，致使电极卷之极板长度必需加长，电池芯的固定体积内所要装进的电池材料要更多，致使隔离膜相对的要更薄.极板碾压密度也跟着提高，隐藏性的安全风险也相对提尚。
[0008]由以上方式所组成之单颗电池或由多颗电池串、并联的动力电池模块虽然都加装外部装置一一IC保护线路，但电池本身仍存在着“不定时炸弹”的隐患。
[0009]上述制造方法因将料涂布和极板分条进行裁切时，残料损耗高达5?10%，再加上后续的组装不良等因素，损耗可观，当制作的损耗转嫁至电池成本时，导致了市场售价居高不下。
[0010]另外电极板经由卷绕所造成电极曲率弯曲，易引起电极板损伤不良，这些细微潜藏的不良问题，皆在制程内自然产生，不易被肉眼所发觉，造成后工程的X-ray检测、短路电性测试等的成本，且日后一段时间使用后令人担忧的问题，如有内伤脆弱处剥落所造成短路燃烧等，都不断的上演，时有所闻。
[0011 ]卷绕式电芯或堆栈型电芯极不安全，归根究底有三个要因:
1.极板制造精度不良±0.30mm，常因正负极板错位误差造成短路爆炸；
2.极板不良，将浆料涂布在极板上，实际上是将粉材粘在金属板上，经充放电使用一段时时后，粉材剥落呈片状，极易形成掉粉而造成短路爆炸；
3.组装不良，因电芯精度不良造成正负极板压伤短路爆炸。
[0012]可见，传统制作工艺太繁杂，影响整体质量一致性，且所使用的设备，都在是朝高精密方向，使得初始投资成本就高，耗材也多，依电池设计原理负极板面积必须大于正极板面积，才不会于电池作动中造成锂析出而发生爆炸。
【发明内容】
[0013]本发明的目的就是针对上述现有技术的的缺失，提供一种能快速生产、不浪费原料、组装良率高、使用安全、制作成本低的锂电池制作工艺。
[0014]本发明包括以下步骤:
1)分别对正、负电极原粉料进行混合，取得正电极干粉和负电极干粉；
2)将正电极干粉和负电极干粉分别过筛，取得不小于100目的正电极干粉和负电极干粉；
3)分别对正电极干粉和负电极干粉进行模压，取得正电极胚体和负电极胚体；
4)以520°C还原性连续式电气烧结炉对正电极胚体进行烧结，取得正电极烧结品；
以740 °C还原性连续式电气烧结炉对负电极胚体进行烧结，取得负电极烧结品；
5)分别对正电极烧结品和负电极烧结品加压整形至密度为1.5?7.9g/cm3，取得高密度正电极块和高密度负电极块；
6)分别对高密度正电极块和高密度负电极块的表面电阻进行穿透电阻检测，取合格品进入下步骤；
7)将高密度正电极块和高密度负电极块分别以环氧树酯封装；
此时正/负极板制造完成，合格品必须以环氧树只表面封装避免氧化及水气，以确保电池正/负极板之质量。
[0015]8)正/负极板入真空电解液含浸系统进行注液含浸，直至电池注入电解液达到饱和；
进行电池组装时，须先将以环氧树酯封装的正负极析“解封”后再进行组装注入电解液，正/负极板入真空电解液含浸系统进行注液含浸:运用正/负极板的材料特性空孔原理，电解液因负压力使强制进入空孔以达成电池注入电解液之适度饱和，使充放电机制中之锂离子游动适中，致充放电性能以及电池寿命达优化，使用绝对安全。本步骤足以取代当下以每颗电池注入定量的电解液造成每批量生产电池过多或不足的缺陷，避免生产电池质量不稳定，电池使用中易出现膨胀，甚至爆炸的现象发生。
[0016]9)对电池模块进行组装后封口；
10)将电池进行清洗后烘干；
11)热缩膜保护；
12)电池活化、检测后老化；
13)包装。
[0017]本发明突破现有湿式制程技术，以创新干式粉材工艺，含粉末冶金P/Μ工艺与粉末射出成型M頂工艺以及相关工艺之工艺方法等，可使产品更安全、质量更稳定、制程更简单，可以达到降低成本，来迎合市场需求，增加产品的使用安全性能。运用本发明工艺可完全避免因正负极板包覆不良造成短路燃烧爆炸之安全性的隐忧，本创意即在突破现有的问题。
[0018]本发明从制作工艺角度看，可摆脱现有繁复困难不稳定的制作工艺所造成成质量的制程不良如涂料要靠结合剂均匀的双面涂敷在ΙΟμπι左右的铝铜箔上，常因接口结合的不良，以及裁切分条造成的毛边，制程的粉肩及环境的污染，搭配工程多，相对的质量风险也高。采用本发明方法，粉末充填加压成型或射出压力成型、烧结可替代涂布、碾压、裁切分条或堆栈，大幅提高制程良率与日后严苛使用环境高低温、振动、充放电所造成的电极涂敷物的剥离、粉料掉落等;相对于干式制程将材料烧结形成导电材料与导电材料的颈接，成一上下左右的立体结合强度，且密度和空孔率可由成型加压精准的控制出来，未烧结的不良品还可粉碎回收，相较于现有湿式涂布制程，为了涂布而采用一定黏度的浆料，涂抹在金属铝箔或铜箔上，再把它加热干燥，来回消耗多少能源;干燥后极板之定型加工，需利用约I吨/公分的高压轮，进行线碾压加工，高压力碾压虽使黏结结构物致密及尺寸定型，但也产生内应力集中于极板内。
[0019]另外，本发明将LiFeP04、Super-P(助导剂:碳粉)、KS_4(导电剂:碳粉)、Met(脱膜剂)和铝粉混合形成正电极干粉。本发明基本没有改变原正电极浆料用工艺配方，减除了粘着剂和溶剂，增加了 Met(脱膜剂)，使本发明的正电极原料达到干粉性。
[0020 ] 所述Super-P、KS-^PMe t (脱膜剂)分别占正电极干粉总质量的4%、5%和3%。
[0021 ] 将MCMB、Super-P(助导剂)、KS-4 (导电剂:碳粉)、Met (脱膜剂)和铜粉混合形成负电极干粉。本发明基本没有改变原负电极浆料用主要配方，减除了粘着剂、溶剂和草酸，增加了Met (脱膜剂)，使本发明的负电极原料达到干粉性。
[0022 ] 所述Super-P、KS-^PMe t (脱膜剂)分别占负电极干粉总质量的2%、2%和3%。
【附图说明】
[0023]图1为本发明电池的充放电实验图。
[0024]图2为本发明电池的充放电次数试验结果图。
【具体实施方式】
[0025]一、制作工艺步骤:
1、正、负电极干粉的制备:
正极配方混合:将LiFePOV磷酸锂铁)87 kg、Super_P(助导剂)4kg、KS_ 4(导电剂)5kg、Met(脱膜剂)3 kg和招粉I kg加入搅拌桶内，搅拌40分钟，转速设定为27rpm。取得正电极干粉。
[0026]负极配方:将MCMB(碳材)、Super_P(助导剂)2kg、KS-4(助导剂)2 kg、Met(脱膜剂)3 kg和铜粉I kg加入搅拌桶内，搅拌40分钟，转速设定25rpm。取得负电极干粉。
[0027]2、将正电极干粉以100目的不锈钢网进行过筛，取得不小于100目的正电极干粉；将负电极干粉以100目的不锈钢网进行过筛，取得不小于100目的负电极干粉。
[0028]3、将一定量的正电极干粉置于金属模内，于压型机上进行模压，取得正电极胚体；将一定量的负电极干粉置于金属模内，于压型机上进行模压，取得负电极胚体。
[0029]4、以520°C还原性连续式电气烧结炉对正电极胚体进行烧结，取得正电极烧结品；以740 0C还原性连续式电气烧结炉对负电极胚体进行烧结，取得负电极烧结品。
[0030]5、分别对正电极烧结品和负电极烧结品加压整形至密度为1.5?7.9 g/cm3，取得高密度正电极块和高密度负电极块。
[0031 ] 6、烧结品依规格检验，留下合格品进入下步骤。
[0032]7、分别对高密度正电极块和高密度负电极块的表面电阻进行穿透电阻检测，留下合格品进入下步骤。
[0033]8、将高密度正电极块和高密度负电极块分别以环氧树酯封装。
[0034]此时正/负极板制造完成，合格品必须以环氧树只表面封装避免氧化及水气，以确保电池正/负极板的质量。
[0035]9、正/负极板入真空电解液含浸系统进行注液含浸:运用正/负极板的材料具有空孔的特性，电解液因负压力而强制进入空孔中，以使电池注入电解液达到适度饱和，使充放电机制中之锂离子游动适中，致充放电性能以及电池寿命达优化，使用绝对安全。
[0036]本步骤足以取代当下以每颗电池注入定量的电解液造成每批量生产电池过多或不足的缺陷，避免生产的电池质量不稳定，使用中易出现膨胀，甚至爆炸的现象发生。
[0037]10、对电池模块进行组装后封口:将电池于干燥室内进行电池组装，电芯放入电池罐体经底焊，绝缘片置入到冒盖焊接，封罐四周但留一注液口待电解液以一定注液量注入后，立即将注液口密封。
[0038]11、将电池进行清洗后烘干。
[0039]12、热缩膜保护:采用套热缩膜机进行保护罐体绝缘，只露出正、负极端;方型电池贴付绝缘片。
[0040]13、电池活化。
[0041 ] 14、x光安全检测:X光透视电池内部已判定正/负极板之层迭或卷绕位差有无短路之现象，导电柄与罐身之位置/距离有无短路之疑虑等，都可在X光安检中得以排除不安全制品。
[0042]15、老化:电池经活化工程后依规定须一批量静置15?21天，经此期间电化学反应成熟品为安全，方可入库出货到市面。去除在老化工艺中出现的膨罐、冒烟、爆炸等皆为不合格产品。
[0043]16、包装、入库。
[0044]以上为本发明的完整制造工艺。
[0045]二、效果分析:
1、从图1的充放电图可见:LFP正极搭配graph ite负极组成全电池，充放电截止电压为4.2?2.0V。其第一次充电电容量为110 mAh/g,放电电容量为75 mAh/g。
[0046]不可逆电容量约32%，尚有改进之空间，但以此方式制作之电池，已可进行充放电，证明本发明的可行性较好。
[0047]2、粉末冶金锂电池的充放电次数试验:
从循环测试图2可见:以0.2C-RATE进行循环测试，发现可逆电容量约25 mAh/g，经50次循环后，容量几乎没有衰退，显示循环稳定性佳，但因容量稍低，仍有相当大之进步空间。同时，从图2可还可见:经循环充放电50次之后，容量几乎恒定在23.6mAh/g左右，几乎没有衰退的现象。
【主权项】
1.粉末冶金锂电池的制造工艺，其特征在于包括以下步骤: 1)分别对正、负电极原粉料进行混合，取得正电极干粉和负电极干粉； 2)将正电极干粉和负电极干粉分别过筛，取得不小于100目的正电极干粉和负电极干粉； 3)分别对正电极干粉和负电极干粉进行模压，取得正电极胚体和负电极胚体； 4)以520°C还原性连续式电气烧结炉对正电极胚体进行烧结，取得正电极烧结品； 以740°C还原性连续式电气烧结炉对负电极胚体进行烧结，取得负电极烧结品； 5)分别对正电极烧结品和负电极烧结品加压整形至密度为1.5?7.9 g/cm3，取得高密度正电极块和高密度负电极块； 6)分别对高密度正电极块和高密度负电极块的表面电阻进行穿透电阻检测，取合格品进入下步骤； 7)将高密度正电极块和高密度负电极块分别以环氧树酯封装； 8)正/负极板入真空电解液含浸系统进行注液含浸，直至电池注入电解液达到饱和； 9)对电池模块进行组装后封口； 10)将电池进行清洗后烘干； 11)热缩膜保护； 12)电池活化、检测后老化； 13)包装。2.根据权利要求1所述粉末冶金锂电池的制造工艺，其特征在于将LiFeP(k、Super-P、KS- 4、脱膜剂Met和铝粉混合形成正电极干粉。3.根据权利要求2所述粉末冶金锂电池的制造工艺，其特征在于所述Super-P、KS-4和脱膜剂Met分别占正电极干粉总质量的4%、5%和3%。4.根据权利要求1所述粉末冶金锂电池的制造工艺，其特征在于将MCMB、Super-P、KS-4、脱膜剂Met和铜粉混合形成负电极干粉。5.根据权利要求4所述粉末冶金锂电池的制造工艺，其特征在于所述Super-P、KS-4和脱膜剂Met分别占负电极干粉总质量的2%、2%和3%。
【文档编号】H01M10/058GK105826610SQ201610163999
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】陈鉴昌, 吕承璋, 朱彤
【申请人】朱彤, 陈鉴昌