锂电池作为新一代绿色、高效能源形式,具有能量密度高、使用寿命长、高功率承受力、自放电率低、重量轻、高低温适应性强、无记忆效应、充电快速等特点,在电池能源领域占据了绝对的市场份额,已经成为全球发展的主要方向、是电源应用领域中最具竞争力的电池。锂电池柔性柔性封装材料简称铝塑膜是软包电池的核心材料,其技术难度远超过隔膜、正极、负极、电解液,是锂电池行业内三大高技术行业之一。目前该技术及市场一直被日本垄断,尤其在高端3C、动力储能领域使用的锂电池柔性封装材料仍需高价进口。本文从锂电池柔性封装材料结构、材料特性、生产工艺技术研究方面进行详细介绍。
1、锂电池柔性封装材料结构
锂电池柔性封装材料的结构由内部(与电解液接触)向外部分别为CPP层、铝箔层、尼龙层,各层相互之间粘合而成。其作用是保护内部电芯、隔绝外界环境,其结构如图1所示。CPP层提供热封性能,主要防止电解液泄漏腐蚀铝箔、且能够耐戳穿。铝箔层主要成分为金属铝,表面与氧气形成氧化膜组隔层,阻止水汽深入电芯内部,同时也是铝塑膜冲深形变的主要结构。尼龙层抗冲击性能好、耐穿刺性能高,主要是保护铝箔层不被划伤。粘合层是确保热封层、尼龙层与铝箔层间的粘合效果。
图1 锂电池柔性封装材料结构
2、锂电池柔性封装材料特性
锂电池柔性封装材料的作用及结构,要求锂电池柔性封装材料在外观、阻隔性、热封强度、耐水泡性、耐穿刺性、耐电解液、耐高温、绝缘性、冲压成型性具有以下性能,其性能详见表1。
表1 锂电池柔性封装材料性能要求
3、锂电池柔性封装材料生产工艺
锂电池柔性封装材料主流生产工艺包括热法工艺和干法工艺。热法工艺是使用改性聚乙烯MPP将铝箔层与热封层相连接,然后通过缓慢升温升压的方式进行热合成,该方法工艺流程简单,产品耐电解液和抗水性能良好,但冲深成型性能差、防短路性能差,主要应用在普通消费软包电池领域。干法工艺将CPP层与铝箔层直接粘结并压合,该方法生产的产品防短路性能优异、冲深性能好,但耐电解液和抗水性较差,主要应用于高容量软包消费电池、动力电池、储能电池领域。本文研究干法柔性封装材料生产工艺。
工业化批量生产模式为卷对卷方式,一般的工艺过程是:铝箔进行表面处理;进行涂胶与CPP复合,生成半成品,再涂胶,与尼龙复合;最后双面进行爽滑处理。其生产工艺流程可分为防腐处理工艺、干法复合工艺、爽滑处理工艺三个阶段,其中每个阶段对根据锂电池柔性封装材料材料最终的产品性能参数有着不同的影响。
纯铝箔自身活性很高,如果接触酸碱,很容易被腐蚀,锂离子电池电解液具有腐蚀性,为避免因铝箔腐蚀而影响电池性能,需要对铝箔进行表面处理,阻止由于铝箔受腐蚀而影响电池使用寿命、减少因铝箔受腐蚀而降低电池的安全性能。因此,铝箔在使用前要进行防腐处理,两面涂布钝化液,形成钝化层。另外,一般情况下,铝箔表面有油污和铝粉,必须在涂布钝化液进行碱洗、水洗。如果采用的铝箔出厂前经过了去污处理,可以省略碱洗和水洗工艺。
经过防腐处理后的纯铝箔,就可进行关键的复合工艺。首先铝箔与尼龙进行复合,形成半成品,然后再与CPP进行复合。尼龙层可有效的减少铝箔划伤,阻止氧气渗透到电芯内部。复合尼龙层后,可提高材料挺度,确保复合材料具备良好的形变能力。复合CPP,形成热封层,具备热封性能,另外可提高材料的绝缘性、阻止铝箔与电解质接触。
铝塑膜表面涂爽滑剂可以降低摩擦系数、降低抗滑擦,提高冲深性能,防止复合膜表面划伤、擦伤。
4、结论
通过对锂电电池柔性封装材料结构、材料特性、生产工艺的深入研究,有助于锂电池柔性封装材料生产装备技术进一步优化,为开发出满足高端3C、动力储能领域柔性封装材料制造的生产装备打下坚实的技术基础,助力锂电行业快速发展。