软包锂离子电池卷绕式电芯变形研究

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卷绕式软包锂离子电池充放电过程中,负极活性材料石墨的晶格结构会增大或减小,使负极极片的厚度膨胀或收缩,导致电池变形。由于隔膜基材材质为聚乙烯(PE),卷绕过程中隔膜会产生收缩,收缩力带动正负极片,也会导致电池变形。电池变形会大大影响循环性能、倍率性能甚至其安全性能。因此,本文拟通过极片(负极)辊压控制厚度变化率,卷绕方法改进,隔膜涂覆聚偏氟乙烯(PVDF),以及改变卷芯热压参数等,改善电芯变形,提高无人机锂离子电池制造的生产良率和人工效率。本文使用商业无人机卷绕式软包锂离子电池进行实验研究,首先分析了影响电池变形的三大方向:负极厚度变化率、卷绕方式及隔膜与极片的粘接。再从原料、设备、制造工艺等方面分析影响以上三方面的因素,最后通过实验设计找出最佳的制程参数,并验证该参数下制出的成品电池是否符合循环测试、倍率测试以及安全性能测试要求。最终达到控制电池变形的目的。本文研究了辊压参数、卷绕方式和卷绕张力、隔膜PVDF涂覆面密度和热压参数对电池变形量的影响。实验研究发现,负极极片辊压后初始厚度变化率越大,电芯变形量越大。负极厚度变化率大的微观表现是负极极片的极片间距增大,这是导致电池变形的驱动力。可通过控制辊压速度来控制负极厚度变化率,进而就能控制电芯的变形。卷绕方式采取变张力模式有利于控制电池变形,且卷绕时隔膜/极片张力越小,对控制电芯的变形越有利。隔膜表面涂覆PVDF的面密度越大,越有利于隔膜粘接极片,越能控制电芯的变形。通过对辊压速度、变张力的卷绕、隔膜涂覆PVDF面密度和卷芯热压参数的研究,优化的工艺参数为:辊压速度≤10 m/min;隔膜140~160 g变张力卷绕,极片210~290 g变张力卷绕;隔膜涂覆PVDF面密度≥10.2 g/m~2;卷芯热压温度85℃,热压压力1400 kg·f,热压时间6 min。通过以上研究,有效控制了卷绕式软包锂离子电池的变形,提高了电池的厚度一致性和外观。应用到卷绕式软包锂离子电池的生产中,变形比例由13%下降至0.1%,且满足循环性能等电性能和安全性能各项要求。
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