基于IEEE1725浅谈锂离子电芯制程检查要求 ①

2021-04-10王晴晴王彦兵

电池工业 2021年3期

王晴晴，王彦兵，肖华，符静，张杰

(通标标准技术服务有限公司深圳分公司，广东深圳 518057)

1 引言

随着近几年电子产品的飞速发展和普及，锂离子电池已经进入到普通大众的日常生活中。最常见的如手机、电脑、蓝牙耳机、电动牙刷等等均是使用锂离子电池作为供电源。锂离子电池是用金属锂作为正极活性物质，基于其本身的化学特性，如果存在生产缺陷或者使用不当，很可能发生起火爆炸等危险，对人身造成伤害[1]。IEEE1725，全名IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones，是针对移动电话的可充电电池的标准[2]。电池和移动电话行业需要标准化的可充电电池系统的设计和鉴定标准，以及验证这些电池的质量和可靠性，该标准旨在确保移动电话电池具有可靠的用户体验和运行性能，并可以指导制造商/供应商规划和实施用于移动电话的锂离子和锂离子聚合物可充电电池的设计和制造控制。IEEE1725建立了锂离子电池的合格性、质量和可靠性的设计分析准则，出口到美国市场并需要接入运营商网络的锂离子电池通常会被要求满足此标准的要求，越来越多的锂离子电池采购商也开始参照此标准从源头阶段考虑锂离子电池的安全性能。本文作者基于在锂离子电池检测认证领域的行业经验，并结合标准要求，特别总结了在生产阶段可能对锂离子电芯性能造成影响的关键因素，供电芯工厂及相关人员参考。

2 锂离子电芯的结构及生产工序

2.1 锂离子电芯的结构

锂离子电池主要由5大部分组成：正极、负极、隔膜、电解液和外壳[3]。

2.2 锂离子电芯的生产工序

锂离子电芯的生产工序繁多，工艺较为复杂，不同电芯工厂的生产工序也会存在差别，但从整体来看，按照生产的先后顺序，关键环节可分为以下步骤：原材料→制浆→涂布→烘干→对辊→分切→卷绕→入壳→注液→封装→化成→老化→分容→入库[4]。

3 锂离子电芯生产工序检查要求

3.1 原材料

原材料工序重点检查两个方面：储存和来料检验。

根据原材料的不同，储存通常又分为两个部分：物料仓和化学品仓。其中正极、负极、隔膜、外壳及其他辅助物料如高温/绝缘胶带储存在物料仓，电解液及其他化学添加剂作为危险化学品单独储存在化学品仓。

原材料的存储应做好区域划分，并设置对应的区域标识，避免不同物料混放以及造成混用。应做好粉尘管控，采取必要的防尘措施。应进行温湿度管控，配备温湿度计并做好监测记录。温湿度的限值除了考虑实际生产工艺，还需注意参照原材料规格书中的要求。如发现超标情况，应及时采取纠正措施。化学品仓应额外注意通风、避光、防静电等。

来料检验要求对原材料的关键参数进行检验并达到工厂规定的接收要求。工厂应根据自身电芯的设计制定相应的检验规范，检验应依照检验规范进行，避免出现不一致以及与供应商提供的出货检验报告相矛盾等现象。检验时所使用的仪器设备应进行定期校准和维护保养，校准范围应注意覆盖需要用到的区间。例如高低温箱，笔者在实际检查中曾多次发现只校准了常温的情况。IEEE1725中明确规定的参数要求有：隔膜应具有足够的化学、电化学、热和机械稳定性。绝缘材料在-40 ℃至150 ℃的温度范围内，应具有电化学、化学、机械和热稳定性，并应具有良好的附着力和穿刺强度。正负极材料应对杂质的限值进行识别。

3.2 制浆

正负极制浆应配有相应的作业指导书。不管是自动配料还是人工配料，应确保配料时所使用的原材料的量同理论计算值保持一致。搅拌罐的搅拌速率、压力值、浆料的温度等参数应同工艺要求保持一致。应对浆料中的磁性物质等杂质含量进行阶段性检测控制及异物来源分析。应对浆料的黏度、固含量等参数进行检测记录以便监控浆料的质量是否满足工艺要求。

3.3 涂布

涂布工序应特别关注涂布车间的粉尘监控，粉尘测量应选取合适的时间、合适的地点，必要时通过对比分析找出粉尘浓度最高的时间和地点作为监测点。例如在实际生产车间，通常存在倒班的情况，那么在交接班时，就可能会因人员流动而带来粉尘浓度的升高。另外，车间内外的换气装置在清洁内部空气的同时，其自身滤网的清洁也不容忽视，应做好对滤网的清洁维护。

3.4 烘干

烘烤温度和时间是烘干工序的重要参数，应严格依照作业指导书进行设置，如需调整，应进行记录并保持可追溯性。烘干后测涂布量、面密度、厚度等是监测涂布均匀性的重要指标，应进行严格的管控并及时剔除损坏的极片。烘干卷绕后的极片放置应注意采取适当的防尘措施，例如用薄膜包裹或者放入专门的密闭箱体中。

3.5 对辊

对辊压力和速度是对辊工序的重要参数，应严格依照作业指导书进行设置，如需调整，应进行记录并保持可追溯性。应确保对辊机台上的厚度测量仪器的工作是有效的，例如当测得的厚度超过偏差限值时，应启动警报。

3.6 分切

分切时在极片分切处会产生毛刺，毛刺如果过长，制成电芯后会刺破隔膜造成正负极短路，所以合理管控毛刺是非常重要的一个环节，应采用合适的二次元测量仪器对毛刺的高度进行检测。IEEE1725中明确规定了毛刺的高度应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标不会导致内部短路。分切所使用的分切刀属于易损件，应登记使用记录并有相应程序文件对更换频率进行限定。分切时还应有合适的刷粉措施。笔者在实际检查中发现，有些分切机器虽已安装有刷粉毛刷，但在实际运行时毛刷却并未开启，这种现象值得车间管理人员思考并进行避免。

3.7 卷绕

卷绕车间预备使用的正负极、隔膜应注意做好防尘措施，避免污染。卷绕工序应依照作业指导书设置正确的卷绕张力等参数，确保卷绕的一致性，避免对电芯造成损坏。应采取合适的刷粉除尘措施，避免将粉尘等杂质引入电芯中。卷绕过程中极耳的焊接应牢固可靠，焊接处应采取必要的绝缘和隔离措施，避免对电芯造成损坏或内部短路。卷绕后应通过高压测试、电阻测试、短路测试等方式识别出不符合的电芯并予以剔除。

3.8 入壳

入壳工序应避免对电芯造成损坏，尤其是圆柱形电芯，入壳前极耳不能发生弯折，入壳后的底焊应通过控制焊接面积、焊接点数等控制好牢固程度。

3.9 注液

注液工序应实时监测注液箱的露点温度，对注液量和保液量进行检测，确保同作业指导书要求的一致。注液机的抽真空时间、抽真空次数、真空度和加压时间等也是影响注液效果的关键因素，应严格按照工厂的工艺要求进行设置和检查。

3.10 封装

封装工序应避免对电芯造成损坏，封装后应采取合适的措施对电芯的漏液情况进行检查并将漏液的电芯剔除。应采用视觉检测系统，如X-Ray，对正负极的对齐度进行100%检测，IEEE1725中明确规定了应确保负极至少比正极宽出0.1 mm，除非有充足的工程分析文件证明小于0.1 mm是合理的。

3.11 化成、老化、分容、入库

化成是电芯制成前必要的激活过程，老化是将化成后的电芯在高温下搁置一定的时间，通过搁置前后电压的变化识别出可能存在缺陷的电芯。老化过程存在起火爆炸的风险[5]，建议配备足够的监控和防护措施。工厂应制定合适的老化分级标准，以便筛选出不同等级的电芯。老化后的电芯经过电压、内阻、容量等性能检测即可打包入库。