锂电池化成设备的研发

1 绪 论1.1 课题研究的背景锂离子电池是20世纪90年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。1.2 锂电池的知识及国内外研究现状1.2.1 18650锂电池18650锂电池中的18650这几个数字，代表外表尺寸：18指电池直径18.0mm ，650指电池高度65.0mm。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂和镍氢电池。电压及容量规格为镍氢电池电压为1.2V 常见容量为2500MAH，锂离子电池电压为3.6V常见容量为1500MAH-3100MAH。锂电池（Li-ion，Lithium Ion Battery）：锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等等优点，因此得到了图1-1 18650锂电池普遍应用许多数码设备都用了锂离子电池作电源，虽然其价格相对来说比较昂贵。锂电池的能量密度很高，它的容量是同等重量的镍氢电池的1.52倍，而且有极低的自放电率。另外，锂电池没有“记忆效应”以及没有有毒物质等优点也是它广泛应用的主要原因。 1.2.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势在蓄电池技术领域，具有重量轻、储能大、功率大、无污染、使用时间长、自我放电指数低、温度合适的范围宽泛等优点的锂电池方式逐渐取代镍氢电池，成为纯用电汽车中的核心技术之一。截至2006年10月为止，全球大部分国家已经有了20余家车厂进行锂电池研究发明，例如富士重工、NEC、东芝、Johnson Controls、Degussa AG/Enax、Sanyo电机、Panasonic EV Energy等。中国在锂电池部分的研究水平，有多项指标超过了USABC提出的2010年长期指标所规定的目标。目前，专家认为锂电池技术还需更多的发展。一方面，各企业所公布的大部分纯粹使用蓄电池的电动汽车实验室来测试数据，如加速性能、充电的时间、持续里程数等等，还须在复杂的外部的环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。另一方面，我国锂离子电池所需隔膜材料基本依赖进口，成本尚待减少。此外，有专家认为，蓄电池使用寿命还不长，造成高额使用成本，成为其商业化的一大瓶颈。1） 超快充电技术用传统的慢速充电法，纯电动汽车充满一次电需要好几个小时。这虽然能够保证相对比较长的续驶里程，但因为要安装许多电池，增加了车辆的重量以及成本，对电池一致性的要求也比较高。现在，快速充电电池技术已经出现，具有寿命长（可充电2000次以上）、没有记忆性、可以大容量充电及放电等特点，在几分钟内就可充70%80%的电。前面所述的东芝可急速充电锂电池的技术，即是快速充电技术的其中之一，这为纯电动汽车的市场化充分供应了技术。但是也有专家对于蓄电池的快速充放电提出了疑惑，他们认为快速充电时的过度充电和过度放电很有可能会使各电池在电池组内协同工作环境恶化，从而造成整体电池组的瓦解崩溃。而现在许多企业在这方面积极进行研发，也有所进展。2005年参考消息报导内华达州有企业研制出纳米电池，只需6分钟就能充满电，每次充电后的使用时间能达到目前充电电池的10倍，使电池充电次数量高达到2万次，所提供的电流强度最大能到现在的3倍。这也成为目前纯电动汽车电池技术的发展动向之一。2） 电池与电容相结合技术超级电容具有充电快、无记忆充放电、充放电循环次数高、无二次污染等优等特性，但是有放电快的缺点；锂离子电池的储电量大、储存时间长的优点，但是充电时间很长。取他们两个的长处，结合后使用在电动的汽车上，除了可以有传统纯电动式汽车的“电代油”与“零排放”的主要优点外，并且还具有一次充电可以行驶路程（可达300公里）、速度（可达100公里/小时）、而行使的过程中能源回收效率很高等优点，为了向着纯电动汽车的发展最新趋势。目前有富士的重工和NEC联合一起开发“锂离子电容器”，能量密度达30瓦时/千克，为先前的电容器的4倍，达到用于电动汽车的运用水准。我国有上海瑞华集团研发了混合型环保电能超级电容极电动汽车，还有国家家电网公司在这一方面早已经完成了3种电池-混合电容型电力工程车辆的改装和性能测试，并将开展示范应用。3）电动轮技术电动轮亦称轮内电动机（In-Wheel Motor）。目前大部分重型矿用自卸汽车所采用的电动轮是直流电动机，而第二代纯电动汽车所采用的是交流传动系统。其工作原理如下：交流传动系统中的永磁式三相同步伺服交流电动机紧凑地收藏于车轮内，电动机的转子通过转子托架与车轮轮毂相联，而轮毂支撑于转向节上，轮胎随同电动机的转子一同旋转；而电动机的定子则通过定子托板、轮毂、转向节连接于车身上。1.2.3 锂离子电池原理 一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。再充电，又重复上述过程。以典型液态锂离子作为例子，当以石墨作负极材料，以LiCoO2作正极材料时，其充放电的原理为：放电 6C+LiCoO2Li-xCoO2+LixC6； 充电 6C+LiCoO2Li-xCoO2+LixC6；充电时，Li+从LiCoO2中发生脱嵌，释放出一个电子，C3+被氧化为C4 +，此时，Li+经过隔膜与电解液流到负极石墨表面，然后插入到石墨结构中，石墨结构同时获得一个电子，形成锂碳层间化合物LixC6，放电时过程则相反，Li+从石墨结构脱插，嵌入到正极LiCoO2中。图1-2 锂电池充放电示意图1.2.4 锂电池组成 正极： 锂电池的正极组成材料为氧化物， 锰酸锂(LiMn2O4)、 氧化钴锂(钴酸锂 LiCoO2)、 氧化镍锂(镍酸锂 LiNiO2)、 磷酸铁锂(LiFePO4)等。 负极：锂电池的负极组成材料最主要是石墨型化碳材料(碳素)。 导电剂：乙炔黑。 粘接剂：聚四氟乙烯。 电解质：锂电池的电解质主要有两种，液态电解质(碳酸脂)和固态电解质(聚合物)。 隔膜：锂电池用隔膜是聚烯微孔隔膜，此隔膜的优点是离子交换能力强，保液能力好，强度高，抗氧化性能好。 铝壳或塑壳。 1.2.5锂离子电池生产工艺流程1.2.6锂离子电池的化成 组装好的锂离子电池首先进行化成。化成工艺：以 0.1C 恒流(40mA/g)充电到 3.6V，再以 0.2C 恒流充电到 4.2V，最后以 4.2V 恒压充电 2 小时。静置 10min，以 0.2C 恒流放电至 2.5V3.0V 终止，充电同前。1.2.7锂离子电池的优点 1)超长寿命，铅酸电池具有长寿命，它的循环的寿命在300次左右，能达到的最高也就500次，而磷酸铁锂电池，循环的寿命可以达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，也可以达到近2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就11.5年时间，而磷酸铁的锂电池在同样的条件下，将达到年可以说是"终身制"。综上所述，性价比是铅酸电池的5倍以上。 2)使用安全，磷酸铁锂电池能够充分地解决钴酸锂和锰酸锂所产生的安全隐患问题，锰酸锂和钴酸锂在剧烈的碰撞下会爆炸，这对于消费者的生命财产构成威胁，而磷酸铁锂经过了严谨的安全测试，它即使在最恶劣的交通事故下也不会爆炸，是最特色的锂电池。3)可大电流2C快速的充放电，在于专用的充电器下，1.5C充电40min内就可以让电池充满，起动电源可达2C，然而铅酸电池现如今没有该性能。4)耐高温，磷酸铁锂电最高温能够达到350500然而锰酸锂和钴酸锂的温度只能达到200左右。5)大容量，它生产的磷酸铁锂电池的 续行里程能够达到同等质量的铅酸电池的34倍，她得优点能够让电动自行车处在适中重量的前提下，只需要充一次电就能跑100多公里，基本充一次电能，上班族能够使用一周的时间。然而铅酸电池来装备的电动自行车在整车重量不超标的条件下，其电池容量最大为12Ah（铅酸电池重量此时已达13公斤，而同内容的磷酸铁锂离子电池的重量只有5公斤），充一次电最多能够行驶50km左右。6)无记忆效应，充电池在补充完的的情况下，容量会低于额定容量，这叫记忆效应。而像镍氢、镍镉电池存在记忆性，磷酸铁锂离子电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。7)体积很小、重量很轻，相同规格容量的磷酸铁锂离子电池的大小是铅酸电池大小的2/3，质量是铅酸电池的1/3。 1.2.8 锂离子电池的缺点 1)电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯比较困难。 2)不能过大的电流放电。由于有了机电解质体系等等的原因，电池的内阻相对于其他一类的电池较大。因此要求比较小的放电的电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只能用于中小型电流的用电器使用。3)保护线路的控制。 A、过充保护：电池过度充能将会破坏掉正极结构从而影响到了它的寿命和性能；而与此同时过度的充电使得电解液分解，它的内部压力过高会导致漏液等等的问题；因此必须要在4.1V-4.2V的恒压下再充电；B、过放保护：过度放会使活性物质的恢复很困难，因此也要有线路保护的控制。2 总体方案设计2.1 任务要求及参数据现有的锂电池化成工艺要求，设计一种化成设备，具有极耳间距调整、极片或极板夹紧以及充放电功能，完成该化成设备的机械结构设计、主要零件的力分析、完成该设备三维建模及仿真。以18650锂电池为例，18650这几个数字，代表外表尺寸：18指电池直径18.0mm 650指电池高度65.0mm2.2 升降机构方案升降机构方案一：丝杠传动如下图所示，采用步进电机和丝杠带动电极工作台升降。此方案的优点是升降工作台升降速度可调，升降高度可以通控制步进电机转的圈数来调节，升降距离可以很长。缺点是结构相对较复杂，生产成本较高。图2-1 方案一：升降台采用丝杠传动升降机构方案二：采用气压传动如下图所示，方案二采用的是气压传动来控制升降台升降，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，以便于集中的供气和中距离的输送，使用很安全，没有爆炸和电击的危险，具有过载保护能力；缺点是：（1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统所带来的速度稳定性很差，给系统的速度还有位置控制的精度带来了很大的影响。（2）气压传动的噪声很大，尤其是排气的时侯，需要加一个消音器。图2-2 方案二：升降台采用气缸传动在本机械中，所要求升降台提升高度不高，如果采用丝杠传动，会使结构相对较复杂，如采用气压传动，会使结构更简单，因此，升降机构采用气压传动。2.3 进料机构方案进料机构方案一：齿轮齿条传动 如下图所示，方案一采用的是齿轮齿条传动来控制送料台送料，承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，可达>2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。图2-3 进料机构方案一：齿轮齿条传动方案进料机构方案二：气压传动如下图所示，进料机构方案二采用的是气压传动来控制进料台工作，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，以便于集中的供气和平均距离的输送，为了使用的安全，没有爆炸和电击的危险