固态电池生产工艺流程说明书

锂电联盟会长 2024-08-21 09:41

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1、产品主要技术参数

2、主要设备清单

3、设备与产能匹配性分析

4、主要生产原辅材料一览表

5、原辅材料理化性质

6、生产工艺流程

7、工艺解说

8、物料平衡

9、水平衡

10、元素平衡

一、产品主要技术参数

二、主要设备清单

三、设备与产能匹配性分析

四、主要生产原辅材料一览表

五、原辅材料理化性质

聚偏二氟乙烯(PVDF)：是一种高度非反应性热塑性含氟聚合物。具有抗溶剂及酸碱腐蚀的特性，密度小。其他特性如下：

1）可射出及押出之氟化树脂（俗称热可塑性铁氟龙）。

2）极佳之耐化学特性。

3）耐磨，高机械强度及韧度。

4）耐候，抗紫外线及核射线。

5）耐热性佳并有高介电强度。

用途：耐化学性之零件、电线电缆等；成型条件：原装包不须干燥；射出温度：180～230℃；模温：60～90℃；押出温度：180～265℃；模头：66～140℃。

石墨：

石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为340pm，同一网层中碳原子的间距为142pm；属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。

石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：

1）耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

2）导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

3）润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

4）化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

5）可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

6）抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

镍钴锰酸锂：镍钴锰酸锂为黑色固体粉末，流动性好，无结块物，外形为球形或类球形颗粒。通常作为锂离子电池正极材料，如动力电池、工具电池、聚合物电池、圆柱电池、铝壳电池等，具有高能量密度；循环性能好，在常温和高温下，均具有优异的循环稳定性；电压平台高，在2.5-4.3/4.4V电压范围内循环稳定可靠；热稳定性好，在4.4V充电状态下的材料热分解稳定；循环寿命长，1C循环寿命500次容量保持80%以上；晶体结构理想、自放电小、无记忆效应等突出优点。

健康危害：摄入、吸入或经皮肤吸收后对身体有害。具有刺激作用。

环境危害：对环境有危害，对水体和大气可造成污染。

燃爆危险：不燃，具刺激性。

NMP：N-甲基吡咯烷酮，无色液体，有氨味，本品毒性小。能与水混溶，溶于乙醚、丙酮等大多数有机溶剂。能溶解大多数有机与无机化合物、极性气体、天然及合成高分子化合物。在中性溶液中比较稳定，在4%的氢氧化钠溶液中8小时后有50%~70%发生水解。在浓盐酸中逐渐发生水解，生成4-甲氨基丁酸CH3NH(CH2)3COOH。性状无色透明油状液体，微有胺的气味。熔点 -24.4℃，沸点 203℃，相对密度1.0260，折射率1.486，闪点95℃由于羰基的反应，可以生成缩酮或硫代吡咯烷酮。在锂电、医药、农药、颜料、清洗剂、绝缘材料等行业中广泛应用。

CMC：即羧甲基纤维素钠，又称羧甲基纤维素钠盐，羧甲基纤维素，属阴离子型纤维素醚，为白色或乳白色纤维状粉末或颗粒，密度0.5-0.7克/立方厘米，几乎无臭、无味，具吸湿性。易于分散在水中成透明胶状溶液，在乙醇等有机溶媒中不溶。1%水溶液pH为6.5～8.5，当pH>10或<5时，胶浆粘度显著降低，在pH=7时性能最佳。对热稳定，在20℃以下粘度迅速上升，45℃时变化较慢，80℃以上长时间加热可使其胶体变性而粘度和性能明显下降。易溶于水，溶液透明；在碱性溶液中很稳定，遇酸则易水解，pH值为2-3时会出现沉淀，遇多价金属盐也会反应出现沉淀。工业中用作黏结剂、抗再沉凝剂。

SBR：丁苯橡胶（SBR)，又称聚苯乙烯丁二烯共聚物。其物理机构性能，加工性能及制品的使用性能接近于天然橡胶，有些性能如耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶更为优良，可与天然橡胶及多种合成橡胶并用，广泛用于轮胎、胶带、胶管、电线电缆、医疗器具及各种橡胶制品的生产等领域，是最大的通用合成橡胶品种。

LiTFSI（双三氟甲基磺酰亚胺锂）

①物理和化学性质：

外观：白色粉末

颜色：白色

气味：无

溶解性：完全溶于水

熔点：236℃

闪点：286.7℃

②稳定性和反应性

稳定性：化学性稳定

反应性：直接添加没有发现有害化学物形成

③毒理学信息

皮肤：不会被老鼠、兔子和人体吸收，不会引起皮肤刺激和过敏。

眼睛：不会刺激眼睛

口腔：有体内不会产生代谢变化，食用无不利影响

吸入：无影响

LLZTO（锂镧锆氧粉体）:略。

水性油墨：水性油墨简称为水墨，它主要由水溶性树脂、有机颜料、溶剂及相关助剂经复合研磨加工而成。水性油墨特别适用于烟、酒、食品、饮料、药品、儿童玩具等卫生条件要求严格的包装印刷产品。

双组份（环氧/聚酯）结构胶（压敏胶）：压敏胶主要是丙烯酸系和橡胶系的溶剂型或胶乳型胶粘剂。近两年来，由于高速操作、合理涂布、排除溶剂公害问题的需要，发展了热熔压敏胶。热熔压敏胶（HMPSA）是以热塑性聚合物为主的胶粘剂，集热熔胶和压敏胶的特点于一体，无溶剂，无污染。

压敏胶的主要成分包括橡胶型和树脂型，如聚丙烯酸酯或聚乙烯基醚两类，基材要求均匀，伸缩性小的且对溶剂浸润性好。

电解液：略

六、生产工艺流程

（1）正负极极片生产工艺流程

七、工艺说明

负极极片生产工艺与正极极片生产工艺一致，仅需将正极极片换为负极极片。

1）正负压投料、搅拌：本项目投料过程均先投加液状原料，再投加粉状原料，有利于减少粉尘的产生量。粉体原料（LLZTO、导电炭黑和PVDF等）在密闭的正极（负极）配料房内进行投料，所用设备是自动上料机系统，粉体原料均为桶装。将桶装的磷酸铁锂（或三元材料）（固）、PVDF（固）、导电炭黑（固）的出料口与混合器进料口通过软管相接，采用真空负压吸料的方式。加料投料时，首先关闭料仓出料阀门，开启真空泵使料仓和输送管道内形成真空；再接上真空吸枪，物料被吸入输送管道，并进入料仓中；真空泵与料仓之间设置有过滤器，对气体和粉料进行分离；当料仓内添加到一定量的物料后，真空泵停止；最后打开料仓上部空气阀和料仓底阀，粉体原料从料仓落至真空度≤-0.080MPa的合浆罐内。至此，一个投料过程完成。为保证浆料质量，减少搅拌过程产生气泡，搅拌釜设置真空泵，待形成湿料后开始抽取真空。

通过泵将储罐中的NMP抽至合浆罐中，密闭合浆罐，然后缓慢打开合浆罐上的真空阀，缓慢抽真空，以免物料飞溅；到达真空度-0.080MPa以下后，关闭合浆罐上的真空阀，停止抽真空；最后开启搅拌机，在常温下开始打胶，打胶时间为3h，制成NMP5.5%的胶液，静置并保持真空密闭状态。

浆料制成后，通过管道自动输送出合浆机，经初过滤，再经连续高速分散机，过滤、脱磁（用磁铁吸除浆料中的铁杂质）、消泡和浆料粘度检测，合格后输送入涂布机。

浆料桶、上浆桶、中转桶等均利用干冰清洗机进行清洗。干冰清洗又称冷喷，是以压缩空气作为动力和载体，以干冰颗粒为被加速的粒子，通过专用的喷射清洗机喷射到被清洗物体表面，利用高速运动的固体干冰颗粒的动量变化、升华、熔化等能量转换，使被清洗物体表面的污垢、油污、残留杂质等迅速冷冻，从而凝结、脆化、被剥离，且同时随气流清除。不会对被清洗物体表面，特别是金属表面造成任何伤害，也不会影响金属表面的光洁度。干冰颗粒作用在被清洗的物体表面时，首先冷冻脆化污物，污物在被清洗的表面上破裂，由粘弹态变成固态，且脆性增大，粘性减小，使之在表面上的吸附力骤减，同时表面积增大，部分污物可以自动剥离。在压缩空气作为动力的环境下，其对脆化了的污物产生剪切力，引起机械断裂，由于污物与被清洗物表面低温收缩比差很大，在接触面处产生应力集中现象，污物在剪切力作用下剥离。高速的干冰颗粒碰撞到增大了的污物表面时，将上述动能传递给污物，克服已经减小了的粘附力，因此而产生的剪切力使污物随气流卷走，达到了脱除污物的目的。

此步骤产生：设备噪声、含尘废气；真空抽取少量有机废气（NMP）；干冰清扫清除出来的污物、废擦拭棉布。

2）涂布烘干：将制备好的正极（负极）浆料通过加料系统加入涂布机料斗中，涂布机涂浆轮通过刀口间隙使浆料均匀的分布在涂浆轮上，然后通过辊涂将浆料涂覆在传动轮的基料上，再将浆料按设定尺寸分别均匀的涂在各自的基片上。涂布基片(正极基片为铝箔，负极基片为铜箔)由放卷装置放出供入涂布机。

涂布后的湿基片送入涂布机自带的干燥道进行干燥，去除浆料中的溶剂或水分，其中正极为NMP废气，负极为水分，干燥温度约105℃，真空度≤-0.08MPa。本项目干燥道采用电加热，NMP由热风循环系统带走进入回收设备处理。干燥后的极片经张力调整和自动纠偏后进行收卷，供下一步工序进行加工。

聚偏氟乙烯（PVDF）的分解温度为＞316℃，项目的烘干温度为 150℃，远低于其分解温度，故PVDF不会发生分解而产生氟化氢气体。

此步骤将产生：设备噪声、有机废气（NMP）。

涂布机为全密封设备，涂布基片进出口为微负压，同时在涂布机上设置NMP回收系统，涂布及干燥过程中挥发的有机溶剂全部进入NMP回收系统，回收后的NMP委托供货单位回收处理。

涂布机产生的NMP有机废气利用风机将其从设备内抽出后，通过风机压入冷凝器[制冷剂为R-134a（四氟乙烷），为目前国际公认的替代R12的主要制冷工质之一，是环保型制冷剂]中，通过一级冷却段、二级冷却段两级冷却水的热量交换后，将冷凝为液态的NMP导入至回收液体罐中，委托供货单位回收处理，剩余废气再次通过转轮吸附处理后经15m高排气筒。该过程不产生其他废物。

3）极片辊压：将涂布好的成卷正极片和负极片经过压实机，常温下碾压压实以降低极片厚度，提高电池体积利用率。此步骤会产生设备噪声。

4）略。

5）极片分切：成卷正极片或负极片经压实机碾压后，经模切机进行分切，检验极片，不合格品作为废极片处理，合格极片进入下道工序。该步骤将产生：废极片、噪声。

6）极耳模切：按设计要求对极耳进行模切。此过程会产生极耳边角料、噪声。

（2）固态锂电池生产工艺流程

工艺流程简述：

1）叠片：将成卷的塑料隔膜用极板整形机切成所需尺寸，按照正极片—隔膜—负极片相互间隔的方式，放入叠片机中压为方形电芯叠片体。该步骤将产生：噪声、废塑料隔膜。

2）极耳焊接：分别在正、负极焊机上将极耳焊接在电芯叠片体上。正、负极耳均外购，正极耳是由热熔胶带和铝带组成的铝极耳，负极耳是由热熔胶带和铜带组成的铜极耳，此工序采用极耳焊接机，不使用任何助剂，直接使金属相连，因此不产生焊接废气。焊接工艺介绍如下：锂电池极耳焊接机是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工，不需任何助焊剂、气体、焊料，环保安全，无焊烟产生，无需安装排焊烟装置。

3）包装：铝塑复合膜放入自动冲壳机中进行自动冲压成型，形成包装壳，将焊接好极耳的电芯叠片装入电池壳中，电芯叠片与电池包装壳采用局部加热电池包装壳封接处铝塑复合膜，使其熔融后与电芯叠片进行封接，不需任何助焊剂、气体、焊料，无焊烟产生，无需安装排焊烟装置。

4）喷码：喷码工序需使用水性油墨，会产生少量有机废气，主要成分为总VOCs。

5）电芯烘烤：将预留侧封口的电池雏形放入电热真空烘箱内，在80℃、-0.08MPa条件下烘干一段时间（烘干过程必须充氮气保护）去除电芯在制作过程中吸入的微量水分，这一过程主要是水蒸气挥发出来。

6）浸润：略。

7）高温静置：略。

8）化成：略。

9）预抽气封口：将化成后的电池进行抽气，使得高温和化成过程中产生的水汽抽除，并封闭好抽气孔。

10）高压整形：将预抽气后的电池放入85℃高温压力下静置24h，使得电芯内应力释放，形貌规整。

11）分容：电池在分容柜上经充、放电约6h。第一次充电是为了将化成时未充满电的电池充满电；放电是指充满电的电池自动放完电，分容柜根据放电量的多少自动记录下各电池的容量，然后根据容量大小的不同将电池区分开，从而达到分容的目的；最后一次充电是将各电池再充满电。

12）常温老化：略。

13）二封：将老化后的电池电芯上部气袋处开口，产生的气体在密封腔体进行真空抽气，并封闭好开口。气袋内残余少量的注液废气，此过程将产生一定的电解液废气及边角料。

14）分选：对电池的电芯内压和电阻的进行测试，合格产品入库。

15）入库：将成品电芯包装后储存于仓库中。

（3）电芯PACK工艺流程

1）电芯来料：电芯来料检验（厚度、外观）

2）电芯加工

极耳裁切：电芯来料极耳长度需要裁切加工以方便汇流排激光焊接；

顶端贴EVA泡棉：为了防止电芯极耳位、顶端铝塑膜变形。

3）叠2P电芯：把2个软包电芯用热敏胶以并联的方式进行粘合在一起，方便后续组装。本项目热熔压敏胶（HMPSA）是以热塑性聚合物为主的胶粘剂，主要成分为聚丙烯酸酯，集热熔胶和压敏胶的特点于一体，不产生污染物。

4）叠6S2P电芯：把6个2P电芯用热敏胶粘合串联在一起。

5）安装塑胶支架：把6S2P电芯放入塑胶支架内，并用热敏胶粘好。

6）安装塑胶顶盖：6S2P电芯安装塑胶顶盖。

7）安装FPC组件：在顶盖安装柔性印刷电路板（对各电池的电压和温度进行采样并管理）。

8）安装汇流排：在支架上安装汇流排（导出每个电芯的正负极）

9）极耳位折弯/整平：激光焊接前对极耳整平使极耳与汇流排充分贴合方便激光焊接。

10）激光焊接：使用激光焊接把正负极极耳焊接在汇流排上。

11）模块检测：焊接完毕后进行单模组的电压、内阻检测以防止虚焊的产生，保证模组焊接质量。

12）涂导热结构胶：在准备好的铝合金上、下壳体内部涂上导热胶，导热胶是以有机硅胶为主体，添加填充料、导热材料等高分子材料，混炼而成的硅胶，具有较好的导热、电绝缘性能，是一种无毒、无刺激性气体释放、无溶剂、无腐蚀、无污染物质。

13）6S2P电芯入下铝合金壳体：把焊接完毕的电芯模组放入涂好胶的铝合金下壳体内部，然后再安装上壳体。

14）安装塑胶端盖：在模组顶端安装塑胶端盖。

15）安装铝合金端板：模组两端安装铝合金端板。

16）激光焊接：模组之间进行激光焊接连接。

17）模组检测：检测模组电压、内阻，以防止在组装过程中造成内阻、电压变化。

18）模组静置24h：整体模组静置24小时。

19）模组测试：对模组进行充放电测试（测试模组的容量、电压、内阻、温升等参数）。

（4）制氮系统工艺流程

八、NMP物料平衡表

九、水平衡

十、氟、磷、钴、镍元素平衡

来源：科研云平台

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