钜大LARGE | 点击量：2530次 | 2018年08月17日
真空技艺和装置在新型电池研发里的运用
1主要动力电池制造原理和应用现状
目前，电池多达几十种类型，有一次和二次电池之分，动力电池属二次可充电电池。电池结构大多由正极、负极、隔膜、电解质和外壳等组成；制造工艺大体可分为电极制备、装配、注液、化成等。各种电池的主要区别在于其设计用途、应用的电化学原理及电池各部分组成材料等的不同。
以下简要介绍了几种动力电池的制造原理和应用现状。
111密封铅酸蓄电池
铅酸蓄电池的正极为二氧化铅，负极为海绵状铅，电解液是稀硫酸溶液。其总反应方程式为：PbO2+Pb+2H2SO4y2PbSO4+2H2O铅酸蓄电池已使用100多年，是目前唯一大量产的车载动力电池。国内外主要制造商有：美国通用EV21、克莱斯勒EPIC和美国苏莱克亚ForceEV电动汽车；我国保定风帆公司及镇江蓄电池厂生产的密封铅蓄电池也有电动车试用报道。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
铅酸蓄电池具有性能可靠、技术成熟、价格便宜等优点。其规模应用的主要障碍是能量密度低，循环寿命短，质量重，过充、过放电性能差等。
112镍氢动力电池
镍氢（MH2Ni）动力电池正极为氢氧化镍，负极为储氢合金，电解质是氢氧化钾溶液。其总反应方程式为：2NiOOH+KOH+H2y2Ni（OH）2+KOHMH2Ni电池是90年代发展起来的一种新型绿色电池。目前，已试验成功，并使用的制造商或汽车公司包括：美国Ovonic公司、法国Saft、德国Varta、日本Panasonic、东风公司等。代表车型有日本丰田Prius等。
与铅酸蓄电池相比，镍氢电池具有比能量和比功率高、循环寿命长、无污染等优点。其规模应用的主要障碍是成本较高，高温性能较差等。
113锂离子动力电池
锂离子动力电池正极为LiMn2O4、LiCoO2、LiMyMn22yO4等金属氧化物，负极为碳素材料，电解质是LiPF6/EC+DMC+DEC，其制造技术非常严格、复杂。主要工序有：制浆、涂膜、装配、化成、检测、包装等。
当前，国内外众多企业都在致力于锂离子动力电池的应用研究工作，并已取得了很大突破，如索尼公司、日本蓄电池公司、日立公司、日产汽车公司，法国Saft公司、美国PolyStore、Bellcore公司，德国Varta公司、加拿大BlueStar公司等，以及国内的深圳、武汉、北京、天津等地企业。
与其它动力电池相比，锂离子动力电池具有工作电压高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点，现已成为当前车载动力电池的研发重点。其规模应用的主要障碍是价格太高。
114燃料电池
燃料电池正极通入氧气或空气，负极通入氢气，电解质有酸性、碱性、熔融盐和固体等多种类型。
在燃料电池生产开发方面，加、美、日、德等国处于领先地位。燃料电池电动汽车处于领先的有德国戴姆勒奔驰公司和日本丰田公司等。
燃料电池正、负极物质置于电池之外，无需耗时充电。质子交换膜燃料电池最适合电动汽车使用，其以固体物质为电解质，耐冲击振动性能好，易常温启动，结构紧凑，行驶距离长，热效率高达80%，环保性好。规模应用的主要障碍是价格及氢源问题。
2真空技术及设备在动力电池制造中的应用
就上述动力电池本身而言，推动其规模应用的障碍主要包括电池性能、价格和一致性等问题。解决这些问题的关键依赖于先进技术和手段的利用和发展。真空技术及设备以其独特的特点在动力电池制造过程中发挥着重要作用，其应用研究开发仍在不断进行之中。
以下重点列举了真空技术和设备在主要动力电池制造各工序中的应用，包括真空混料、真空烧结、真空干燥、真空检漏、真空注液、真空封口、真空化成等。
211真空混合
电极是电池的/心脏0.动力电池电极质量决定了电池的主要品质，包括容量、搁置寿命、循环寿命、安全性等。目前，动力电池电极成形方法主要有摸压法、烧结法、拉浆法、涂布法等。其中制造电池正、负极的浆料或膏等的品质好坏决定着电极质量和电池品质。
在真空状态下混合制造电极用浆料或膏，由于真空环境中气体各组分少，几乎是惰性的，浆料或膏表面化学成分和性质不易发生改变，产品无污染；同时，有利于脱除浆料或膏携带的有害气体，提高生产效率。
以下着重概述了真空混合制浆或膏在铅酸动力电池和锂离子动力电池生产过程中的应用。
21111铅酸动力电池铅膏制作
在铅酸电池的生产过程中，所制备铅膏的均匀度、成分、塑性等是影响铅酸电池性能的重要因素。在制备铅膏时，硫酸和铅粉之间发生的放热反应会使铅膏温度上升。传统铅膏制备工艺，合膏机采用空气冷却方式。这样，整个铅膏制备工艺受周围环境影响较大。若吹入的冷却空气温度较高，将直接导致其吸收蒸发水的能力下降，冷却效率降低，冷却时间延长等。同时，合膏温度不易控制，有局部过热现象，致使铅膏质量一致性、均匀性较差。此外，需处理大量含尘空气等。
在真空条件下进行铅膏制备，即采用真空(智能真空压挤装置的研发及运用)合膏机。均匀混合的铅膏全部处在真空环境中，水分几乎同时蒸发。产生水蒸气通过冷凝器被冷凝，冷凝液立即回流到合膏机中并又均匀地混入铅膏。整个过程中的蒸发、冷凝和再混合过程同时发生，无组分损失，保证了生产铅膏品质的一致性。与传统铅膏制备工艺和设备相比，其具有混合均匀、产品一致性好、生产效率高、无污染等优点，是获得高品质电极的基础。具有代表性的设备有德国爱立许真空合膏机等。
21112锂离子动力电池正、负极浆料制作
锂离子动力电池电极制造，正极浆料由粘合剂、导电剂、正极材料等组成；负极浆料则由粘合剂、碳粉等组成。正、负极浆料制备包括了液与液、液与固体物料之间的混合、溶解、分散、均质等一系列工艺过程，且过程伴随着温度、粘度、环境等变化。目前，整个合浆过程都是在专用高效真空双行星动力混合机中完成。
真空双行星动力混合机是一种无死点混合设备，能对物料进行精细处理。混合机采用独特搅拌结构，实现了分散轴、搅拌浆既公转又自转的行星运动，使得物料在真空状态下受到强烈的剪切和捏合，从而在较短时间内充分的分散和混合。
此类高效混合机，在低真空（压强<-0.098MPa）下作业，避免了浆料大粘度搅拌混合时空气的卷入，并能有效清除已卷入气体所引起的浆料气泡。
同时，混合机外置有加热和水冷却装置，使作业环境更加稳定，对确保浆料一致性、成分稳定和合理粘度等发挥了关键作用，其生产效率为普通混合机的几倍。生产此类设备的代表性厂家有日本PRIMIX公司、ASADA公司，中国广州红运机械厂等。
212真空烧结
电池电极采用烧结成形法制造，其烧结后电极要求孔隙率高，均匀性好，以使能均匀浸渍的活性物质多，所得电极容量高，性能稳定。
真空烧结由于炉内氢、氮、氧等气体少，不易发生渗碳、脆性夹层、氧化等表面化学成分问题，颗粒晶界的结合将更加牢固；同时，还能实现低温烧结，气化速度快，加热均匀性好，无污染问题等，业已成为电极烧结成形的首选工艺。
以下分析真空烧结技术及设备在镍氢动力电池电极制造过程中的应用。
在镍氢电池制造过程中，负极板是主要部件。
目前普遍采用镀镍钢带湿法和铜网干法等加工工艺。然而，镀镍钢带湿法加工负极板存在：极板单位密度小，电容量低；装配电池寿命短；装配电池耐过充、过放能力差等缺陷。铜网干法加工负极板则存在：极板整体强度和可焊性差，合格率低，成本高等缺陷。因此，需研究更为先进有效的负极板加工制造方法。
文献<6>采用真空烧结和冷却保护法制造镍氢电池负极板。此工艺流程为：贮氢合金粉与成型材料混合y连续压制成型y裁片、称重、检验y真空烧结y冷却保护y出炉检验y包装备用。压制成型的负极板是装在专用真空炉内完成真空烧结和冷却保护工艺，真空度2@1022MPa，真空烧结温度900e.
与前述负极板加工方法相比，经真空烧结后，所得负极板强度高、柔韧性好、合格率高；极板单位密度、比能量及容量增大。同时，能延长装配电池使用寿命和增强装配电池耐过充、过放能力。比能量由前述湿法技术的220mAh/g左右增加到250mAh/g；使用寿命由200多次提高到300多次；产品合格率\98%等。
213真空干燥
与常压干燥相比，真空干燥有干燥温度低，干燥物料中水分内部扩散、内部蒸发、表面蒸发，利于水分或溶剂在低温下蒸发；干燥后物料均匀性好等优点。一般的真空干燥是在低真空下进行，即105Pa102Pa范围内。
在动力电池制造过程中，真空干燥主要用于电极制造的真空干燥和装配后注液前电池的真空干燥等。常用的干燥设备为箱式真空干燥箱，大气压力<-0.098MPa.
以下列举了真空干燥技术在锂离子动力电池和燃料电池制造过程中的具体应用。
在不同类型锂离子动力电池制造过程中，水分控制都极为严格。从某种意义上说，装配后电池水分含量多少是判定锂离子动力电池综合性能好坏的重要指标之一。采用真空干燥对锂离子动力电池制造具有非常重要的意义。
在锂离子动力电池电极中，其活性物质直接涂敷在集流体铝箔或铜箔表面。若采用常压热风干燥此类极片，在被干燥流体表面形成流体边界层，受热汽化的水蒸气通过流体边界层向空气中扩散，干燥物内部水分要向表面移动。如果其移动速度赶不上边界面的蒸发速度，边界层水膜就会被破断，被干燥物表面就会出现局部干裂现象。然后扩大到整个外表面，形成表面硬化。真空干燥可消除常压干燥情况下容易产生的产品表面硬化现象，而真空干燥物料内与表面之间的压差较大，在压力梯度作用下，水分很快移向表面，不会出现表面硬化。同时，真空干燥热效率较高，可达70%90%；干燥温度低，有利于电极内部集流体与活性物质之间的粘合；密闭操作，无污染。
装配后注液前电池的真空干燥是整个锂离子电池水分含量控制的关键工序。生产过程中严格控制水分，提高真空度，尽可能排除电池内部气体。由于锂离子动力电池电解质也一般采用LiPO6和非水有机溶剂，在电池注液前，电池需要真空干燥数小时，以除去电池组分中的水分和潮气，避免LiPO6与水反应生产HF而缩短电池寿命。
同样地，文献<8>研究了燃料电池电极制造过程中电极的真空干燥工艺。将催化剂、聚四氟乙烯乳液和低级醇或蒸馏水混合，高度分散处理后制得电极浆料。浆料用模板刮涂在碳纸或碳布上，获得燃料电池电极。电极在20e120e温度下，真空干燥2h24h，150e350e空气或氩气保护下烧结015h2h后，表面喷涂聚合物电解质；再经20e120e下真空干燥2h24h，制得燃料电池装配用电极。文献<9>也有类似研究报导。结果表明，燃料电池电极采用真空干燥，所得电极催化层的均匀性好，电极一致性好，操作简便，生产效率高等。
214真空检漏与真空注液
动力电池多属密闭体系，电解液注入前大多需进行检漏作业。动力电池制造常用检漏方法有：充压检漏法和真空检漏法两类。两者明显的差别在于被检体系压力不同。
一般情况，充压检漏法多用于柔性电池壳体，如软包装动力电池的密封性检测。在电池壳体内部充入一定压力的干燥空气或氮气作示漏物质，用一定的方法或仪器在被检件外部检测出从漏孔漏出的示漏物质，从而判定漏孔的存在、位置及漏率的大小等。而真空检漏法多用于刚性电池壳体密封性检测。将电池壳体内部处于真空状态，由相连检测仪表，判断被检件密封情况。
动力电池装配后，经干燥、检漏等工序，进行注液工序。注液过程实际上是电池壳内空气的排出和电解液在极组内的渗透过程。电解液的极组内渗透是电解液沿着极组中毛细管、狭缝等浸润到整个极组的过程。动力电池有不同的注液方法和工艺，但真空注液是大多动力电池电解质注入所采用的方法。真空注液有利于清除存在于极板、隔膜内微孔、微管道内和极板、隔膜、壳内壁狭缝之间的气泡，提高注液速度。
在密封铅酸动力电池制造时，采用定量真空灌酸（胶）机进行真空注液，酸量灌注定量精度1%.
同样地，在锂离子动力电池装配中已大量采用真空检漏与真空注液工艺。专利<10>介绍了一种大容量锂离子电池真空注液装置。在注液系统中安装了真空泵、调节阀门、容器和真空表，可以精确、快速将大量电液注入到电池，解决了气液混合、注液量不易控制问题，工作效率和成品率高、操作简单、提高了电池的电性能。非常适合用于电动自行车、电动汽车等大容量锂离子电池注液。
215真空化成与真空封口
目前，在锂离子动力电池制造过程中，对真空化成与真空封口技术开展了大量研究工作，并在实际生产中逐步得到应用。
众所周知，锂离子动力电池，包括钢壳、软包装及聚合物等类型，无论是采用开口化成还是封口化成等技术，都不同程度地存在气胀问题，气胀会严重影响电池的综合性能和正常使用。
虽然气胀产生的真正原因目前还没有完全研究清楚，但大多数研究者认为是由于电芯在化成活化时SEI膜的形成过程会产生气体，而产出气体容易滞留在极片与极片之间所致。为此，国内外学者研究出许多控制或减缓电池气胀的化成、封口技术和设备，其宗旨是使电池内环境与外界空气隔离；同时，又使化成过程所释放的气体迅速、彻底地排出，从而达到消除或减缓气胀之目的。
专利<7>介绍了铝塑复合膜软包装锂离子电池制备过程中采用的封口与化成工艺。待装配电池真空干燥及注入有机电解液后，对电池进行第三边假封口，然后进行电池化成，化成结束后真空热封口，形成完整的电池。
专利<13>介绍了一种经过充电化成后的锂离子电池真空封口方法及其装置。该装置将电池、电池凹形夹具及压力机置于真空室中进行抽真空；当达到工艺规定真空度后，启动封口机构封住电池注液孔；电池封口后解除真空状态，得到真空封口电池。
文献<14>研究了软包装锂二次电池在铝塑膜封装后，使用加压化成真空封口的方法。通过在包装盒上设计简易气囊，收集加压化成时排挤出来的气体，化成后切除气囊并真空封口。此方法不仅有效减少了化成后电芯内的气体，解决了电池气胀问题，而且操作简单易行，并巧妙地避开了制造过程中胶化电解质的渗漏及电芯与外界的相互作用，二次真空封口确保了电池的密封性。
然而，要想彻底解决锂离子电池的气胀问题，特别是储存搁置气胀和使用过程气胀，还得进行大量的深入研究工作。当前，国内外研究者正在着手研究锂离子电池真空化成与真空封口一体化工艺技术，有望减轻电池气胀带来的负面影响。
此外，在阀控密封铅酸蓄电池制造过程中，为使电池的密封性能更加安全、可靠、也正在应用真空封口技术。
216其它应用及前景
除上述列举的应用实例外，真空技术由于其应用所能产生的工艺新特点，有望在其它动力电池制造过程之中得到工业应用；同时，通过研究开发，动力电池制造过程也将采用其它新的真空技术和设备。其潜在的工业规模应用有：（1）除锂离子电池和燃料电池制造过程中采用了真空干燥技术和设备外，镍氢电池正、负电极制造，密封铅酸蓄电池负极制造等过程，若采用真空干燥技术，其产品质量和稳定性将明显提高。
（2）在锂离子动力电池制造过程中，研究开发装配后电池的真空干燥、真空注液、真空化成及真空封口一体化技术与设备。
（3）动力电池制造关键过程中的集中式真空除尘技术。
动力电池生产环境的洁净程度不仅是保证其产品高质量的重要前提，而且对改善制造环境，保护作业人员身体健康，避免半成品或成品二次污染有重要意义。因此，对制造环境进行严格的规定和控制，尤其是制造或装配各关键组件中，浮尘的清理和控制至关重要。集中式真空除尘系统具有使用灵活、方便；可实现有害粉尘安全、有序流动或排放，有利于工作者身体健康及有价粉尘回收的集中管理等优点。若其能在动力电池制造过程中加以利用，对动力电池品质的提升将起到非常重要的作用。
总之，研究开发更为先进的动力电池制造技术，解决制约其应用的循环寿命、综合性能、成本等问题，是今后一段时期内动力电池制造技术研究的主要发展方向。真空技术由于其能使制造工艺产生许多新的特点，必将在动力电池制造技术的提升和方展方面发挥着重要作用。
3结论
（1）真空技术及设备已在动力电池制造过程中获得了广泛应用，如真空混合、真空烧结、真空干燥、真空检漏、真空注液、真空封口、真空化成等，为确保动力电池的高品质起到了非常重要的作用。
（2）真空技术及设备在不同动力电池制造过程中的应用有待进一步深入研究和发展，如真空化成、真空除尘技术等，以提升动力电池制造技术水平，解决制约其应用的循环寿命、综合性能、成本等问题，为今后大规模应用打下坚实基础。
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