王晴晴，王彥兵，肖 華，符 靜，張 杰

(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057)

1 引言

隨著近幾年電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展和普及，鋰離子電池已經(jīng)進(jìn)入到普通大眾的日常生活中。最常見(jiàn)的如手機(jī)、電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、電動(dòng)牙刷等等均是使用鋰離子電池作為供電源。鋰離子電池是用金屬鋰作為正極活性物質(zhì)，基于其本身的化學(xué)特性，如果存在生產(chǎn)缺陷或者使用不當(dāng)，很可能發(fā)生起火爆炸等危險(xiǎn)，對(duì)人身造成傷害[1]。IEEE1725，全名IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones，是針對(duì)移動(dòng)電話的可充電電池的標(biāo)準(zhǔn)[2]。電池和移動(dòng)電話行業(yè)需要標(biāo)準(zhǔn)化的可充電電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)，以及驗(yàn)證這些電池的質(zhì)量和可靠性，該標(biāo)準(zhǔn)旨在確保移動(dòng)電話電池具有可靠的用戶體驗(yàn)和運(yùn)行性能，并可以指導(dǎo)制造商/供應(yīng)商規(guī)劃和實(shí)施用于移動(dòng)電話的鋰離子和鋰離子聚合物可充電電池的設(shè)計(jì)和制造控制。IEEE1725建立了鋰離子電池的合格性、質(zhì)量和可靠性的設(shè)計(jì)分析準(zhǔn)則，出口到美國(guó)市場(chǎng)并需要接入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的鋰離子電池通常會(huì)被要求滿足此標(biāo)準(zhǔn)的要求，越來(lái)越多的鋰離子電池采購(gòu)商也開(kāi)始參照此標(biāo)準(zhǔn)從源頭階段考慮鋰離子電池的安全性能。本文作者基于在鋰離子電池檢測(cè)認(rèn)證領(lǐng)域的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，特別總結(jié)了在生產(chǎn)階段可能對(duì)鋰離子電芯性能造成影響的關(guān)鍵因素，供電芯工廠及相關(guān)人員參考。

2 鋰離子電芯的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工序

2.1 鋰離子電芯的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池主要由5大部分組成：正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼[3]。

2.2 鋰離子電芯的生產(chǎn)工序

鋰離子電芯的生產(chǎn)工序繁多，工藝較為復(fù)雜，不同電芯工廠的生產(chǎn)工序也會(huì)存在差別，但從整體來(lái)看，按照生產(chǎn)的先后順序，關(guān)鍵環(huán)節(jié)可分為以下步驟：原材料→制漿→涂布→烘干→對(duì)輥→分切→卷繞→入殼→注液→封裝→化成→老化→分容→入庫(kù)[4]。

3 鋰離子電芯生產(chǎn)工序檢查要求

3.1 原材料

原材料工序重點(diǎn)檢查兩個(gè)方面：儲(chǔ)存和來(lái)料檢驗(yàn)。

根據(jù)原材料的不同，儲(chǔ)存通常又分為兩個(gè)部分：物料倉(cāng)和化學(xué)品倉(cāng)。其中正極、負(fù)極、隔膜、外殼及其他輔助物料如高溫/絕緣膠帶儲(chǔ)存在物料倉(cāng)，電解液及其他化學(xué)添加劑作為危險(xiǎn)化學(xué)品單獨(dú)儲(chǔ)存在化學(xué)品倉(cāng)。

原材料的存儲(chǔ)應(yīng)做好區(qū)域劃分，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的區(qū)域標(biāo)識(shí)，避免不同物料混放以及造成混用。應(yīng)做好粉塵管控，采取必要的防塵措施。應(yīng)進(jìn)行溫濕度管控，配備溫濕度計(jì)并做好監(jiān)測(cè)記錄。溫濕度的限值除了考慮實(shí)際生產(chǎn)工藝，還需注意參照原材料規(guī)格書(shū)中的要求。如發(fā)現(xiàn)超標(biāo)情況，應(yīng)及時(shí)采取糾正措施?；瘜W(xué)品倉(cāng)應(yīng)額外注意通風(fēng)、避光、防靜電等。

來(lái)料檢驗(yàn)要求對(duì)原材料的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)并達(dá)到工廠規(guī)定的接收要求。工廠應(yīng)根據(jù)自身電芯的設(shè)計(jì)制定相應(yīng)的檢驗(yàn)規(guī)范，檢驗(yàn)應(yīng)依照檢驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，避免出現(xiàn)不一致以及與供應(yīng)商提供的出貨檢驗(yàn)報(bào)告相矛盾等現(xiàn)象。檢驗(yàn)時(shí)所使用的儀器設(shè)備應(yīng)進(jìn)行定期校準(zhǔn)和維護(hù)保養(yǎng)，校準(zhǔn)范圍應(yīng)注意覆蓋需要用到的區(qū)間。例如高低溫箱，筆者在實(shí)際檢查中曾多次發(fā)現(xiàn)只校準(zhǔn)了常溫的情況。IEEE1725中明確規(guī)定的參數(shù)要求有：隔膜應(yīng)具有足夠的化學(xué)、電化學(xué)、熱和機(jī)械穩(wěn)定性。絕緣材料在-40 ℃至150 ℃的溫度范圍內(nèi)，應(yīng)具有電化學(xué)、化學(xué)、機(jī)械和熱穩(wěn)定性，并應(yīng)具有良好的附著力和穿刺強(qiáng)度。正負(fù)極材料應(yīng)對(duì)雜質(zhì)的限值進(jìn)行識(shí)別。

3.2 制漿

正負(fù)極制漿應(yīng)配有相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。不管是自動(dòng)配料還是人工配料，應(yīng)確保配料時(shí)所使用的原材料的量同理論計(jì)算值保持一致。攪拌罐的攪拌速率、壓力值、漿料的溫度等參數(shù)應(yīng)同工藝要求保持一致。應(yīng)對(duì)漿料中的磁性物質(zhì)等雜質(zhì)含量進(jìn)行階段性檢測(cè)控制及異物來(lái)源分析。應(yīng)對(duì)漿料的黏度、固含量等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)記錄以便監(jiān)控漿料的質(zhì)量是否滿足工藝要求。

3.3 涂布

涂布工序應(yīng)特別關(guān)注涂布車間的粉塵監(jiān)控，粉塵測(cè)量應(yīng)選取合適的時(shí)間、合適的地點(diǎn)，必要時(shí)通過(guò)對(duì)比分析找出粉塵濃度最高的時(shí)間和地點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。例如在實(shí)際生產(chǎn)車間，通常存在倒班的情況，那么在交接班時(shí)，就可能會(huì)因人員流動(dòng)而帶來(lái)粉塵濃度的升高。另外，車間內(nèi)外的換氣裝置在清潔內(nèi)部空氣的同時(shí)，其自身濾網(wǎng)的清潔也不容忽視，應(yīng)做好對(duì)濾網(wǎng)的清潔維護(hù)。

3.4 烘干

烘烤溫度和時(shí)間是烘干工序的重要參數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格依照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行設(shè)置，如需調(diào)整，應(yīng)進(jìn)行記錄并保持可追溯性。烘干后測(cè)涂布量、面密度、厚度等是監(jiān)測(cè)涂布均勻性的重要指標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的管控并及時(shí)剔除損壞的極片。烘干卷繞后的極片放置應(yīng)注意采取適當(dāng)?shù)姆缐m措施，例如用薄膜包裹或者放入專門的密閉箱體中。

3.5 對(duì)輥

對(duì)輥壓力和速度是對(duì)輥工序的重要參數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格依照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行設(shè)置，如需調(diào)整，應(yīng)進(jìn)行記錄并保持可追溯性。應(yīng)確保對(duì)輥機(jī)臺(tái)上的厚度測(cè)量?jī)x器的工作是有效的，例如當(dāng)測(cè)得的厚度超過(guò)偏差限值時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)警報(bào)。

3.6 分切

分切時(shí)在極片分切處會(huì)產(chǎn)生毛刺，毛刺如果過(guò)長(zhǎng)，制成電芯后會(huì)刺破隔膜造成正負(fù)極短路，所以合理管控毛刺是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)采用合適的二次元測(cè)量?jī)x器對(duì)毛刺的高度進(jìn)行檢測(cè)。IEEE1725中明確規(guī)定了毛刺的高度應(yīng)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標(biāo)不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路。分切所使用的分切刀屬于易損件，應(yīng)登記使用記錄并有相應(yīng)程序文件對(duì)更換頻率進(jìn)行限定。分切時(shí)還應(yīng)有合適的刷粉措施。筆者在實(shí)際檢查中發(fā)現(xiàn)，有些分切機(jī)器雖已安裝有刷粉毛刷，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)毛刷卻并未開(kāi)啟，這種現(xiàn)象值得車間管理人員思考并進(jìn)行避免。

3.7 卷繞

卷繞車間預(yù)備使用的正負(fù)極、隔膜應(yīng)注意做好防塵措施，避免污染。卷繞工序應(yīng)依照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)設(shè)置正確的卷繞張力等參數(shù)，確保卷繞的一致性，避免對(duì)電芯造成損壞。應(yīng)采取合適的刷粉除塵措施，避免將粉塵等雜質(zhì)引入電芯中。卷繞過(guò)程中極耳的焊接應(yīng)牢固可靠，焊接處應(yīng)采取必要的絕緣和隔離措施，避免對(duì)電芯造成損壞或內(nèi)部短路。卷繞后應(yīng)通過(guò)高壓測(cè)試、電阻測(cè)試、短路測(cè)試等方式識(shí)別出不符合的電芯并予以剔除。

3.8 入殼

入殼工序應(yīng)避免對(duì)電芯造成損壞，尤其是圓柱形電芯，入殼前極耳不能發(fā)生彎折，入殼后的底焊應(yīng)通過(guò)控制焊接面積、焊接點(diǎn)數(shù)等控制好牢固程度。

3.9 注液

注液工序應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注液箱的露點(diǎn)溫度，對(duì)注液量和保液量進(jìn)行檢測(cè)，確保同作業(yè)指導(dǎo)書(shū)要求的一致。注液機(jī)的抽真空時(shí)間、抽真空次數(shù)、真空度和加壓時(shí)間等也是影響注液效果的關(guān)鍵因素，應(yīng)嚴(yán)格按照工廠的工藝要求進(jìn)行設(shè)置和檢查。

3.10 封裝

封裝工序應(yīng)避免對(duì)電芯造成損壞，封裝后應(yīng)采取合適的措施對(duì)電芯的漏液情況進(jìn)行檢查并將漏液的電芯剔除。應(yīng)采用視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，如X-Ray，對(duì)正負(fù)極的對(duì)齊度進(jìn)行100%檢測(cè)，IEEE1725中明確規(guī)定了應(yīng)確保負(fù)極至少比正極寬出0.1 mm，除非有充足的工程分析文件證明小于0.1 mm是合理的。

3.11 化成、老化、分容、入庫(kù)

化成是電芯制成前必要的激活過(guò)程，老化是將化成后的電芯在高溫下擱置一定的時(shí)間，通過(guò)擱置前后電壓的變化識(shí)別出可能存在缺陷的電芯。老化過(guò)程存在起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[5]，建議配備足夠的監(jiān)控和防護(hù)措施。工廠應(yīng)制定合適的老化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以便篩選出不同等級(jí)的電芯。老化后的電芯經(jīng)過(guò)電壓、內(nèi)阻、容量等性能檢測(cè)即可打包入庫(kù)。

3.12 其他檢查要求

根據(jù)IEEE1725要求，電芯工廠應(yīng)建立符合ISO90001的質(zhì)量管理體系。如果會(huì)有新產(chǎn)品導(dǎo)入，應(yīng)建立新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)程序。制程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)淖匪荽胧┮詫?shí)現(xiàn)過(guò)程溯源。所有區(qū)域應(yīng)進(jìn)行有效的溫濕度條件管理。關(guān)鍵生產(chǎn)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行有效的落塵管理。成品電芯應(yīng)通過(guò)UN38.3運(yùn)輸測(cè)試和UL1642安全測(cè)試。

4 結(jié)論

鋰離子電池是當(dāng)前重要的新能源產(chǎn)品之一，由于其自身特定的危險(xiǎn)性以及頻頻曝出的起火爆炸事件[6]，近年來(lái)在檢測(cè)認(rèn)證市場(chǎng)上得到越來(lái)越多的關(guān)注。我國(guó)是鋰離子電池的生產(chǎn)和出口大國(guó)，本文從鋰離子電芯的生產(chǎn)工序角度總結(jié)了制程檢查的關(guān)鍵點(diǎn)，為鋰離子電池的安全生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行提供參考。