储能材料与器件制造实验教学设计

陈明华，王凡，王宇晴

储能材料与器件制造实验教学设计

陈明华，王凡，王宇晴

（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

储能材料与器件制造课程对于培养学生储能器件制造与动手实践能力具有重要意义．软包锂离子电池相对于同等规模的钢壳电池容量高，且重量轻．设计了一套软包锂离子电池制作工艺与测试实验教学平台，涵盖了电极制作及软包电池组装等多个单元，加强学生对软包电池制作工艺的认识与了解，实现对理论知识与实际操作的综合发展．该实验平台对掌握电池制作工艺具有重要意义，同时可为高校开展电池制作类实验教学提供理论与硬件支撑，培养学生的科研意识、动手能力及团队合作能力．

储能材料与器件制造；锂离子软包电池；制作工艺

储能材料与器件制造课程是储能科学与工程、新能源材料与器件本科生专业和电气工程研究生专业必修的一门重要专业课．随着不可再生化石燃料的开发利用，全世界正面临着严峻的能源危机．这些问题迫使科研学者更加积极探索低成本的新型能源存储系统．可充电锂离子电池作为电化学储能器件在各储能系统中应用广泛，被认为是最有发展前景的绿色能源之一[1-6]，已得到验证是解决全球能源危机的高效储能设备．目前，电动汽车正处于高速发展阶段，对于其续航能力的要求也在逐步提升．因此，锂离子电池正逐渐趋于大型化及软包化以实现更高的能量密度．实现小型电池向大型电池转换，需对电解液用量及种类（固态电解质、液态电解质）、电极材料面密度以及压实密度等工艺进行改进以实现性能最优化．

软包锂离子电池采用铝塑膜作为外壳，安全性高、重量轻、外形设计灵活，是一种具有高能量密度的新型绿色电池．目前，商用软包电池电芯的制作工艺主要分为卷绕式和叠片式．卷绕式是将连续的正极片、隔膜以及负极片进行卷绕，形成圆柱形电池．卷绕式电池只有2个内接极耳，焊接工艺简单，但内阻大、极化严重．叠片式工艺是将模切好的正极片和负极片依次叠放，通过隔膜将其分隔．分别对正极极耳和负极极耳进行焊接，并通过外接极耳引出．叠片式电芯内阻较小，适用于大电流电池，应用范围更广．

软包电池组装工艺与测试作为一种新型实验手段，涉及了组装与测试技术、电池技术等多个学科，作为一种集理论知识与操作应用于一体的综合性教学手段，软包电池制作工艺与测试实验平台对于培养专业应用型学生是高校教学所不可或缺的．实验过程中学生可以充分了解并掌握锂离子软包电池电极材料的制作、组装工艺及注意事项、性能测试及原理．该平台意在培养学生的实验操作、数据分析以及科研思维[7-9]，促进综合型人才的培养．

1 实验材料与设备

本实验室所涉及的材料包括石墨，羧甲基纤维素钠，Super P，钴酸锂，聚偏氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮，去离子水，隔膜，铜箔，铝箔，极耳，铝塑膜等．

实验设备包括双行星真空搅拌机，间歇式实验涂布机，液压平衡电动对辊机，自动裁切机，极片模切机，半自动叠片机，超声波金属点焊机，铝塑膜成型机，单工位热封机，柱塞泵精密注射液设备，真空静置箱，软包电池真空预封机，极片短路测试静压机，艾谱瑞斯手套箱．

2 锂离子软包电池制作工艺

锂离子软包电池制作工艺流程见图1.

图1 锂离子软包电池制作工艺流程

2.1 电极材料制作

2.1.1 导电剂 导电剂在粉末材料制作电极片过程中扮演着至关重要的角色．导电剂的加入能够在材料之间形成稳定的导电框架，加快电子迁移．目前存在的导电剂主要包括导电石墨、导电炭黑及导电碳纤维．其中，导电石墨具有比容量大、循环稳定性好的优势，但柔韧性较差[10]；导电炭黑尺寸较小，可以提高与电极材料的接触面积，提升材料的循环稳定性，常用的炭黑材料包括Super P、科琴黑等[11-13]；导电碳纤维具有优良的柔韧性，但它的粒径小，比表面能大，易团聚[14-15]．完全分散的碳纳米管浆料是目前商业电池中应用较广泛的一种导电碳纤维．

2.1.2 粘结剂 粘结剂的作用是将活性物质进行粘结，并使活性物质可以附着在集流体上，是制作电极片不可或缺的部分．粘结剂的添加可以缓解离子脱嵌过程中活性物质的体积膨胀，提升电池的循环稳定性．目前常用的粘结剂包括羧甲基纤维素（CMC）、丁苯胶乳（SBR）和聚偏氟乙烯（PVDF）．CMC作为离子型线性高分子材料，在2003年首次用于商业锂离子硅基电池的粘结剂[16-17]．研究表明，CMC做为粘结剂能够有效缓解硅的体积膨胀所造成的固态电解质膜（SEI）破裂的问题，进而提升电池的循环稳定性．SBR是由丁二烯和苯乙烯共聚反应合成的弹性体，能增加电极材料的柔韧性[18]．实验过程中，通常将SBR和CMC按照一定比例混合作为粘结剂使用．

2.1.3 电极制作工艺 电极浆料制作应遵循电极片烘干后不发生材料脱落并具有优异导电性的原则，因此活性物质、导电剂与粘结剂的比例调配对电极的性能至关重要．

做好基本的图片处理之后，接下来我们需要对图层面板进行一定的设置，以便于接下来的调整操作更加容易进行。单击图层面板右上方四条横线图标的按钮，从弹出菜单中选择面板选项命令。在缩览图大小部分，将其设置为无，让图层面板显示的图层数量更多一些。单击确定回到图层面板，可以看到图层面板中使用灰、紫、黄、橙、红、绿等不同颜色标记出了反差、色温、色彩、渐变、暗角和边框六个功能区域，基本囊括了风光摄影作品所需要的一切常规后期处理操作。

电池负极制备工艺：将去离子水与羧甲基纤维素钠（CMC）按照一定比例混合，在双行星真空搅拌机中持续搅拌直至混合均匀，加入一定的导电剂（Super P）继续搅拌直至均匀，最后加入活性物质（石墨）搅拌形成均匀浆料，活性材料、导电剂与粘结剂的比例为9∶5∶5．

电池正极制备工艺：将聚偏氟乙烯（PVDF）溶解于N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，在真空搅拌机中搅拌均匀，加入一定比例的Super P继续搅拌，最终加入活性物质（钴酸锂）搅拌形成均匀浆料，活性物质、导电剂与粘结剂的比例为87∶8∶5．

2.2 电极片涂布及压片

2.2.1 间歇式实验涂布机工作原理 该设备采用三辊式涂布，涂布辊的旋转方向和基材传递方向相反，刮刀不转动．首先通过涂布辊将浆料带动，经过刮刀控制其厚度，随后浆料被转移到箔材表面．其中，刮刀与涂布辊之间的距离需要精确控制，浆料的涂布厚度由两辊轮间隙和涂布辊与刮刀之间的相对速度调节．

涂布完成后经过加热装置进行预烘干．

2.2.2 压片合理的压实密度，可缩短电极材料之间的距离，缩短锂离子的迁移路径，并减小界面电阻，使电池具有更快的电荷传输速率和更大的界面接触面积，从而获得更高的容量和库伦效率．此外，一定的压实密度可以减少电解液的用量．适当的电解液用量可以同时实现降低成本和减轻电池整体重量．因此，探索适当的压实密度对于实现高能量密度的软包锂离子电池商业化具有重要的意义．

2.3 裁片

首先通过自动裁切机（见图2a）对涂布完成的电极片进行裁切处理，随后使用极片模切机（见图2b）依据锂离子电池型号对极片进一步裁切，得到所需尺寸的电极片．

图2 裁片及模切实验装置实物

2.4 叠片

2.5 焊接极耳

叠好电芯后通过超声波金属点焊机分别对正负极耳进行点焊，焊接过程中应避免虚焊等问题．超声波焊接不同于其它焊接方式，工作时焊件中没有电流通过，也不会产生焊弧，属于机械焊接．焊接过程是利用换能器将超声频大功率振荡信号转换成相应频率的机械能，并施加到被焊物的界面处，使界面瞬间释放大量的热，导致金属晶格中的粒子被激活并且相互运动，从而实现焊接的效果．焊接过程中不会出现热传导与电阻率等问题，是焊接有色金属的理想方式．超声波焊接具有优势：

（1）焊接时间短，通常0.01～2 s便可实现焊接；

（2）工作温度低于退火温度，避免了工作物金相组织的改变，熔接更牢固，熔接口整齐清洁；

（3）焊接后导电性良好，电阻系数接近零；

（4）金属表面有少量的污染物和氧化物时，不需要进行表面处理，即可实现完美焊接；

（5）不需要对材料进行预处理，不需要焊锡等添加物，经济方便；

（6）焊接时不产生火花，安全无污染．

2.6 冲壳及热封

铝塑膜成型机（见图3a）利用气液增压原理产生一定的压力，通过气缸驱动模具作用于铝塑膜表面，使铝塑膜产生所需形状．利用增压缸的出力压紧膜片，凸膜伸出即将膜片拉伸至所需深度．目前，铝塑膜拉伸成形时会出现“角位破损”的问题，因此，应采用合理的参数避免该状况的发生．铝塑膜作为软包电池的外壳，安全系数高，不会像钢壳电池一样发生剧烈的爆炸．铝塑膜还具有一定的灵活性，可以制作不同形状、厚度的电池壳，是一种新型的高能量密度、综合性能更好的绿色电池．

将电芯放入成形后的铝塑膜中，通过单工位热封机（见图3b）对其边缘进行密封，此时预留一侧以备注液使用．在热封过程中应注意褶皱问题，尤其是极耳周围．应定期清理、维护设备以达到最佳的热封效果．

图3 铝塑膜成型及热封实验装置实物

2.7 注液、静置及封口

将半成品电池放入手套箱中并注入电解液，电解液的用量会直接影响电池性能．过量的电解液会提高电池的制作成本，同时过量的电解液会在循环过程中分解，产生气体，影响正负极之间的接触，从而导致电池性能退化并引起安全问题；不足的电解液会导致锂离子在传输过程中受到限制，增大电池内阻，影响其性能[19]．造成电解液不足的原因有：（1）电解液注入量不足；（2）注入的电解液没有充分浸润到电极材料之间；（3）循环过程中电解液被不断消耗．目前，为了提升电池的能量密度，通常采用更高容量的电极材料以及更薄的隔膜，同时尽可能地提升电极的压实密度[20]．然而，更薄的隔膜以及更大的压实密度会导致更小的电解液吸收量．因此，合理的电解液用量以及更为严格的生产工艺是保障电池性能的关键因素．本实验采用真空静置箱对注液后的软包电池进行处理，通过在密封的箱体内分段形成不同动态真空度的环境，将电芯内的空气及电解液内的气体抽走．使电解液在自身重力与气体压力的共同作用下沿着电芯自下而上流动，实现与极片和隔膜的充分浸润．随后，采用软包电池真空预封机将预留的注液口进行密封，得到所需的软包电池．

2.8 软包电池短路测试

通过极片短路测试静压机对制作完成的软包电池进行短路测试．依据高压击穿原理，对电池的极板实施微短路测试，通过漏电电流的大小来检测电池极板短路情况及绝缘程度，此方法可以避免微短路造成的电池爆炸．随后，对电池进行充放电循环几个周期，对循环后的电池进行针刺实验，并通过二次真空终封机再进行封装．针刺封装是为了排放多余的电解液和残留的浑浊空气．针刺封装的特点是针刺的同时进行抽真空和热封，排除多余液体的同时有效地防止了浑浊空气的回流，使电池化成后二次终封能够在洁净的环境中完成．

2.9 软包电池实际应用测试

软包电池的实物见图4a，其工作电压在 3.8 V左右，可以将白色 LED的“HUST”图案电路板点亮（见图4b），且发光亮度较高．通过电池测试系统（见图4c）进行测试，可以实现优异的电池性能．

图4 软包电池实物及其测试软件页面

3 结语

培养学生创新思维、科研与实践能力是各高校重要的战略目标，而实验教学是促成这一目标的重要手段．本文开发了一套软包锂离子电池制作工艺实验教学平台，详细介绍了软包电池制作工艺流程，能够加强学生对软包锂离子电池的了解，提高学生的理论知识水平与实践能力．同时，该平台能够培养学生实际操作、分析问题、解决问题的能力．这种科研与教学的结合，能够开阔学生视野，激发学生的创新意识，从而培养其创新精神和科学素养．

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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

国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（52122702）；黑龙江省杰出青年基金项目（JQ2021E005）

陈明华（1983-），男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，从事储能技术及关键材料研究．E-mail：mhchen@hrbust.edu.cn