鉅大LARGE | 點擊量：771次 | 2022年11月18日
真空技藝和裝置在新型電池研發(fā)里運用
1主要動力電池制造原理和應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，電池多達幾十種類型，有一次和二次電池之分，動力電池屬二次可充電電池。電池結(jié)構(gòu)大多由正極、負極、隔膜、電解質(zhì)和外殼等組成；制造工藝大體可分為電極制備、裝配、注液、化成等。各種電池的主要區(qū)別在于其設(shè)計用途、應(yīng)用的電化學原理及電池各部分組成材料等的不同。
以下簡要介紹了幾種動力電池的制造原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。
111密封鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池的正極為二氧化鉛，負極為海綿狀鉛，電解液是稀硫酸溶液。其總反應(yīng)方程式為：PbO2+Pb+2H2SO4y2PbSO4+2H2O鉛酸蓄電池已使用100多年，是目前唯一大量產(chǎn)的車載動力電池。國內(nèi)外主要制造商有：美國通用EV21、克萊斯勒EPIC和美國蘇萊克亞ForceEV電動汽車；我國保定風帆公司及鎮(zhèn)江蓄電池廠生產(chǎn)的密封鉛蓄電池也有電動車試用報道。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鉛酸蓄電池具有性能可靠、技術(shù)成熟、價格便宜等優(yōu)點。其規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是能量密度低，循環(huán)壽命短，質(zhì)量重，過充、過放電性能差等。
112鎳氫動力電池
鎳氫（MH2Ni）動力電池正極為氫氧化鎳，負極為儲氫合金，電解質(zhì)是氫氧化鉀溶液。其總反應(yīng)方程式為：2NiOOH+KOH+H2y2Ni（OH）2+KOHMH2Ni電池是90年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池。目前，已試驗成功，并使用的制造商或汽車公司包括：美國Ovonic公司、法國Saft、德國Varta、日本Panasonic、東風公司等。代表車型有日本豐田Prius等。
與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池具有比能量和比功率高、循環(huán)壽命長、無污染等優(yōu)點。其規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是成本較高，高溫性能較差等。
113鋰離子動力電池
鋰離子動力電池正極為LiMn2O4、LiCoO2、LiMyMn22yO4等金屬氧化物，負極為碳素材料，電解質(zhì)是LiPF6/EC+DMC+DEC，其制造技術(shù)非常嚴格、復雜。主要工序有：制漿、涂膜、裝配、化成、檢測、包裝等。
當前，國內(nèi)外眾多企業(yè)都在致力于鋰離子動力電池的應(yīng)用研究工作，并已取得了很大突破，如索尼公司、日本蓄電池公司、日立公司、日產(chǎn)汽車公司，法國Saft公司、美國PolyStore、Bellcore公司，德國Varta公司、加拿大BlueStar公司等，以及國內(nèi)的深圳、武漢、北京、天津等地企業(yè)。
與其它動力電池相比，鋰離子動力電池具有工作電壓高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點，現(xiàn)已成為當前車載動力電池的研發(fā)重點。其規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是價格太高。
114燃料電池
燃料電池正極通入氧氣或空氣，負極通入氫氣，電解質(zhì)有酸性、堿性、熔融鹽和固體等多種類型。
在燃料電池生產(chǎn)開發(fā)方面，加、美、日、德等國處于領(lǐng)先地位。燃料電池電動汽車處于領(lǐng)先的有德國戴姆勒奔馳公司和日本豐田公司等。
燃料電池正、負極物質(zhì)置于電池之外，無需耗時充電。質(zhì)子交換膜燃料電池最適合電動汽車使用，其以固體物質(zhì)為電解質(zhì)，耐沖擊振動性能好，易常溫啟動，結(jié)構(gòu)緊湊，行駛距離長，熱效率高達80%，環(huán)保性好。規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是價格及氫源問題。
2真空技術(shù)及設(shè)備在動力電池制造中的應(yīng)用
就上述動力電池本身而言，推動其規(guī)模應(yīng)用的障礙主要包括電池性能、價格和一致性等問題。解決這些問題的關(guān)鍵依賴于先進技術(shù)和手段的利用和發(fā)展。真空技術(shù)及設(shè)備以其獨特的特點在動力電池制造過程中發(fā)揮著重要作用，其應(yīng)用研究開發(fā)仍在不斷進行之中。
以下重點列舉了真空技術(shù)和設(shè)備在主要動力電池制造各工序中的應(yīng)用，包括真空混料、真空燒結(jié)、真空干燥、真空檢漏、真空注液、真空封口、真空化成等。
211真空混合
電極是電池的/心臟0.動力電池電極質(zhì)量決定了電池的主要品質(zhì)，包括容量、擱置壽命、循環(huán)壽命、安全性等。目前，動力電池電極成形方法主要有摸壓法、燒結(jié)法、拉漿法、涂布法等。其中制造電池正、負極的漿料或膏等的品質(zhì)好壞決定著電極質(zhì)量和電池品質(zhì)。
在真空狀態(tài)下混合制造電極用漿料或膏，由于真空環(huán)境中氣體各組分少，幾乎是惰性的，漿料或膏表面化學成分和性質(zhì)不易發(fā)生改變，產(chǎn)品無污染；同時，有利于脫除漿料或膏攜帶的有害氣體，提高生產(chǎn)效率。
以下著重概述了真空混合制漿或膏在鉛酸動力電池和鋰離子動力電池生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。
21111鉛酸動力電池鉛膏制作
在鉛酸電池的生產(chǎn)過程中，所制備鉛膏的均勻度、成分、塑性等是影響鉛酸電池性能的重要因素。在制備鉛膏時，硫酸和鉛粉之間發(fā)生的放熱反應(yīng)會使鉛膏溫度上升。傳統(tǒng)鉛膏制備工藝，合膏機采用空氣冷卻方式。這樣，整個鉛膏制備工藝受周圍環(huán)境影響較大。若吹入的冷卻空氣溫度較高，將直接導致其吸收蒸發(fā)水的能力下降，冷卻效率降低，冷卻時間延長等。同時，合膏溫度不易控制，有局部過熱現(xiàn)象，致使鉛膏質(zhì)量一致性、均勻性較差。此外，需處理大量含塵空氣等。
在真空條件下進行鉛膏制備，即采用真空(智能真空壓擠裝置的研發(fā)及運用)合膏機。均勻混合的鉛膏全部處在真空環(huán)境中，水分幾乎同時蒸發(fā)。產(chǎn)生水蒸氣通過冷凝器被冷凝，冷凝液立即回流到合膏機中并又均勻地混入鉛膏。整個過程中的蒸發(fā)、冷凝和再混合過程同時發(fā)生，無組分損失，保證了生產(chǎn)鉛膏品質(zhì)的一致性。與傳統(tǒng)鉛膏制備工藝和設(shè)備相比，其具有混合均勻、產(chǎn)品一致性好、生產(chǎn)效率高、無污染等優(yōu)點，是獲得高品質(zhì)電極的基礎(chǔ)。具有代表性的設(shè)備有德國愛立許真空合膏機等。
21112鋰離子動力電池正、負極漿料制作
鋰離子動力電池電極制造，正極漿料由粘合劑、導電劑、正極材料等組成；負極漿料則由粘合劑、碳粉等組成。正、負極漿料制備包括了液與液、液與固體物料之間的混合、溶解、分散、均質(zhì)等一系列工藝過程，且過程伴隨著溫度、粘度、環(huán)境等變化。目前，整個合漿過程都是在專用高效真空雙行星動力混合機中完成。
真空雙行星動力混合機是一種無死點混合設(shè)備，能對物料進行精細處理?；旌蠙C采用獨特攪拌結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了分散軸、攪拌漿既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)的行星運動，使得物料在真空狀態(tài)下受到強烈的剪切和捏合，從而在較短時間內(nèi)充分的分散和混合。
此類高效混合機，在低真空（壓強<-0.098MPa）下作業(yè)，避免了漿料大粘度攪拌混合時空氣的卷入，并能有效清除已卷入氣體所引起的漿料氣泡。
同時，混合機外置有加熱和水冷卻裝置，使作業(yè)環(huán)境更加穩(wěn)定，對確保漿料一致性、成分穩(wěn)定和合理粘度等發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其生產(chǎn)效率為普通混合機的幾倍。生產(chǎn)此類設(shè)備的代表性廠家有日本PRIMIX公司、ASADA公司，中國廣州紅運機械廠等。
212真空燒結(jié)
電池電極采用燒結(jié)成形法制造，其燒結(jié)后電極要求孔隙率高，均勻性好，以使能均勻浸漬的活性物質(zhì)多，所得電極容量高，性能穩(wěn)定。
真空燒結(jié)由于爐內(nèi)氫、氮、氧等氣體少，不易發(fā)生滲碳、脆性夾層、氧化等表面化學成分問題，顆粒晶界的結(jié)合將更加牢固；同時，還能實現(xiàn)低溫燒結(jié)，氣化速度快，加熱均勻性好，無污染問題等，業(yè)已成為電極燒結(jié)成形的首選工藝。
以下分析真空燒結(jié)技術(shù)及設(shè)備在鎳氫動力電池電極制造過程中的應(yīng)用。
在鎳氫電池制造過程中，負極板是主要部件。
目前普遍采用鍍鎳鋼帶濕法和銅網(wǎng)干法等加工工藝。然而，鍍鎳鋼帶濕法加工負極板存在：極板單位密度小，電容量低；裝配電池壽命短；裝配電池耐過充、過放能力差等缺陷。銅網(wǎng)干法加工負極板則存在：極板整體強度和可焊性差，合格率低，成本高等缺陷。因此，需研究更為先進有效的負極板加工制造方法。
文獻<6>采用真空燒結(jié)和冷卻保護法制造鎳氫電池負極板。此工藝流程為：貯氫合金粉與成型材料混合y連續(xù)壓制成型y裁片、稱重、檢驗y真空燒結(jié)y冷卻保護y出爐檢驗y包裝備用。壓制成型的負極板是裝在專用真空爐內(nèi)完成真空燒結(jié)和冷卻保護工藝，真空度2@1022MPa，真空燒結(jié)溫度900e.
與前述負極板加工方法相比，經(jīng)真空燒結(jié)后，所得負極板強度高、柔韌性好、合格率高；極板單位密度、比能量及容量增大。同時，能延長裝配電池使用壽命和增強裝配電池耐過充、過放能力。比能量由前述濕法技術(shù)的220mAh/g左右增加到250mAh/g；使用壽命由200多次提高到300多次；產(chǎn)品合格率\98%等。
213真空干燥
與常壓干燥相比，真空干燥有干燥溫度低，干燥物料中水分內(nèi)部擴散、內(nèi)部蒸發(fā)、表面蒸發(fā)，利于水分或溶劑在低溫下蒸發(fā)；干燥后物料均勻性好等優(yōu)點。一般的真空干燥是在低真空下進行，即105Pa102Pa范圍內(nèi)。
在動力電池制造過程中，真空干燥主要用于電極制造的真空干燥和裝配后注液前電池的真空干燥等。常用的干燥設(shè)備為箱式真空干燥箱，大氣壓力<-0.098MPa.
以下列舉了真空干燥技術(shù)在鋰離子動力電池和燃料電池制造過程中的具體應(yīng)用。
在不同類型鋰離子動力電池制造過程中，水分控制都極為嚴格。從某種意義上說，裝配后電池水分含量多少是判定鋰離子動力電池綜合性能好壞的重要指標之一。采用真空干燥對鋰離子動力電池制造具有非常重要的意義。
在鋰離子動力電池電極中，其活性物質(zhì)直接涂敷在集流體鋁箔或銅箔表面。若采用常壓熱風干燥此類極片，在燥流體表面形成流體邊界層，受熱汽化的水蒸氣通過流體邊界層向空氣中擴散，干燥物內(nèi)部水分要向表面移動。如果其移動速度趕不上邊界面的蒸發(fā)速度，邊界層水膜就會被破斷，燥物表面就會出現(xiàn)局部干裂現(xiàn)象。然后擴大到整個外表面，形成表面硬化。真空干燥可消除常壓干燥情況下容易產(chǎn)生的產(chǎn)品表面硬化現(xiàn)象，而真空干燥物料內(nèi)與表面之間的壓差較大，在壓力梯度作用下，水分很快移向表面，不會出現(xiàn)表面硬化。同時，真空干燥熱效率較高，可達70%90%；干燥溫度低，有利于電極內(nèi)部集流體與活性物質(zhì)之間的粘合；密閉操作，無污染。
裝配后注液前電池的真空干燥是整個鋰離子電池水分含量控制的關(guān)鍵工序。生產(chǎn)過程中嚴格控制水分，提高真空度，盡可能排除電池內(nèi)部氣體。由于鋰離子動力電池電解質(zhì)也一般采用LiPO6和非水有機溶劑，在電池注液前，電池需要真空干燥數(shù)小時，以除去電池組分中的水分和潮氣，避免LiPO6與水反應(yīng)生產(chǎn)HF而縮短電池壽命。
同樣地，文獻<8>研究了燃料電池電極制造過程中電極的真空干燥工藝。將催化劑、聚四氟乙烯乳液和低級醇或蒸餾水混合，高度分散處理后制得電極漿料。漿料用模板刮涂在碳紙或碳布上，獲得燃料電池電極。電極在20e120e溫度下，真空干燥2h24h，150e350e空氣或氬氣保護下燒結(jié)015h2h后，表面噴涂聚合物電解質(zhì)；再經(jīng)20e120e下真空干燥2h24h，制得燃料電池裝配用電極。文獻<9>也有類似研究報導。結(jié)果表明，燃料電池電極采用真空干燥，所得電極催化層的均勻性好，電極一致性好，操作簡便，生產(chǎn)效率高等。
214真空檢漏與真空注液
動力電池多屬密閉體系，電解液注入前大多需進行檢漏作業(yè)。動力電池制造常用檢漏方法有：充壓檢漏法和真空檢漏法兩類。兩者明顯的差別在于被檢體系壓力不同。
一般情況，充壓檢漏法多用于柔性電池殼體，如軟包裝動力電池的密封性檢測。在電池殼體內(nèi)部充入一定壓力的干燥空氣或氮氣作示漏物質(zhì)，用一定的方法或儀器在被檢件外部檢測出從漏孔漏出的示漏物質(zhì)，從而判定漏孔的存在、位置及漏率的大小等。而真空檢漏法多用于剛性電池殼體密封性檢測。將電池殼體內(nèi)部處于真空狀態(tài)，由相連檢測儀表，判斷被檢件密封情況。
動力電池裝配后，經(jīng)干燥、檢漏等工序，進行注液工序。注液過程實際上是電池殼內(nèi)空氣的排出和電解液在極組內(nèi)的滲透過程。電解液的極組內(nèi)滲透是電解液沿著極組中毛細管、狹縫等浸潤到整個極組的過程。動力電池有不同的注液方法和工藝，但真空注液是大多動力電池電解質(zhì)注入所采用的方法。真空注液有利于清除存在于極板、隔膜內(nèi)微孔、微管道內(nèi)和極板、隔膜、殼內(nèi)壁狹縫之間的氣泡，提高注液速度。
在密封鉛酸動力電池制造時，采用定量真空灌酸（膠）機進行真空注液，酸量灌注定量精度1%.
同樣地，在鋰離子動力電池裝配中已大量采用真空檢漏與真空注液工藝。專利<10>介紹了一種大容量鋰離子電池真空注液裝置。在注液系統(tǒng)中安裝了真空泵、調(diào)節(jié)閥門、容器和真空表，可以精確、快速將大量電液注入到電池，解決了氣液混合、注液量不易控制問題，工作效率和成品率高、操作簡單、提高了電池的電性能。非常適合用于電動自行車、電動汽車等大容量鋰離子電池注液。
215真空化成與真空封口
目前，在鋰離子動力電池制造過程中，對真空化成與真空封口技術(shù)開展了大量研究工作，并在實際生產(chǎn)中逐步得到應(yīng)用。
眾所周知，鋰離子動力電池，包括鋼殼、軟包裝及聚合物等類型，無論是采用開口化成還是封口化成等技術(shù)，都不同程度地存在氣脹問題，氣脹會嚴重影響電池的綜合性能和正常使用。
雖然氣脹產(chǎn)生的真正原因目前還沒有完全研究清楚，但大多數(shù)研究者認為是由于電芯在化成活化時SEI膜的形成過程會產(chǎn)生氣體，而產(chǎn)出氣體容易滯留在極片與極片之間所致。為此，國內(nèi)外學者研究出許多控制或減緩電池氣脹的化成、封口技術(shù)和設(shè)備，其宗旨是使電池內(nèi)環(huán)境與外界空氣隔離；同時，又使化成過程所釋放的氣體迅速、徹底地排出，從而達到消除或減緩氣脹之目的。
專利<7>介紹了鋁塑復合膜軟包裝鋰離子電池制備過程中采用的封口與化成工藝。待裝配電池真空干燥及注入有機電解液后，對電池進行第三邊假封口，然后進行電池化成，化成結(jié)束后真空熱封口，形成完整的電池。
專利<13>介紹了一種經(jīng)過充電化成后的鋰離子電池真空封口方法及其裝置。該裝置將電池、電池凹形夾具及壓力機置于真空室中進行抽真空；當達到工藝規(guī)定真空度后，啟動封口機構(gòu)封住電池注液孔；電池封口后解除真空狀態(tài)，得到真空封口電池。
文獻<14>研究了軟包裝鋰二次電池在鋁塑膜封裝后，使用加壓化成真空封口的方法。通過在包裝盒上設(shè)計簡易氣囊，收集加壓化成時排擠出來的氣體，化成后切除氣囊并真空封口。此方法不僅有效減少了化成后電芯內(nèi)的氣體，解決了電池氣脹問題，而且操作簡單易行，并巧妙地避開了制造過程中膠化電解質(zhì)的滲漏及電芯與外界的相互作用，二次真空封口確保了電池的密封性。
然而，要想徹底解決鋰離子電池的氣脹問題，特別是儲存擱置氣脹和使用過程氣脹，還得進行大量的深入研究工作。當前，國內(nèi)外研究者正在著手研究鋰離子電池真空化成與真空封口一體化工藝技術(shù)，有望減輕電池氣脹帶來的負面影響。
此外，在閥控密封鉛酸蓄電池制造過程中，為使電池的密封性能更加安全、可靠、也正在應(yīng)用真空封口技術(shù)。
216其它應(yīng)用及前景
除上述列舉的應(yīng)用實例外，真空技術(shù)由于其應(yīng)用所能產(chǎn)生的工藝新特點，有望在其它動力電池制造過程之中得到工業(yè)應(yīng)用；同時，通過研究開發(fā)，動力電池制造過程也將采用其它新的真空技術(shù)和設(shè)備。其潛在的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用有：（1）除鋰離子電池和燃料電池制造過程中采用了真空干燥技術(shù)和設(shè)備外，鎳氫電池正、負電極制造，密封鉛酸蓄電池負極制造等過程，若采用真空干燥技術(shù)，其產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性將明顯提高。
（2）在鋰離子動力電池制造過程中，研究開發(fā)裝配后電池的真空干燥、真空注液、真空化成及真空封口一體化技術(shù)與設(shè)備。
（3）動力電池制造關(guān)鍵過程中的集中式真空除塵技術(shù)。
動力電池生產(chǎn)環(huán)境的潔凈程度不僅是保證其產(chǎn)品高質(zhì)量的重要前提，而且對改善制造環(huán)境，保護作業(yè)人員身體健康，避免半成品或成品二次污染有重要意義。因此，對制造環(huán)境進行嚴格的規(guī)定和控制，尤其是制造或裝配各關(guān)鍵組件中，浮塵的清理和控制至關(guān)重要。集中式真空除塵系統(tǒng)具有使用靈活、方便；可實現(xiàn)有害粉塵安全、有序流動或排放，有利于工作者身體健康及有價粉塵回收的集中管理等優(yōu)點。若其能在動力電池制造過程中加以利用，對動力電池品質(zhì)的提升將起到非常重要的作用。
總之，研究開發(fā)更為先進的動力電池制造技術(shù)，解決制約其應(yīng)用的循環(huán)壽命、綜合性能、成本等問題，是今后一段時期內(nèi)動力電池制造技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。真空技術(shù)由于其能使制造工藝產(chǎn)生許多新的特點，必將在動力電池制造技術(shù)的提升和方展方面發(fā)揮著重要作用。
3結(jié)論
（1）真空技術(shù)及設(shè)備已在動力電池制造過程中獲得了廣泛應(yīng)用，如真空混合、真空燒結(jié)、真空干燥、真空檢漏、真空注液、真空封口、真空化成等，為確保動力電池的高品質(zhì)起到了非常重要的作用。
（2）真空技術(shù)及設(shè)備在不同動力電池制造過程中的應(yīng)用有待進一步深入研究和發(fā)展，如真空化成、真空除塵技術(shù)等，以提升動力電池制造技術(shù)水平，解決制約其應(yīng)用的循環(huán)壽命、綜合性能、成本等問題，為今后大規(guī)模應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。
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