锂离子电池制造工艺原理与应用

20世纪80年代首次提出锂离子电池的概念，其后索尼公司于1991年成功推出了个商用锂离子电池产品，标志着锂离子电池大规模产业化的开始。锂离子电池在手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电器中得到广泛应用，一跃成为发展速度快和销量的二次电池体系。

尤其是在全球可持续发展越来越受到人们重视的今天，新能源汽车产业快速发展，锂离子电池的发展也随之加速。美国前能源部长Steven Chu曾指出：“温室效应存在一个非线性的气候引爆点，留给人们的治理时间远没有预期的长。”目前，发达国家已经或正在制定燃油车禁售时间表，开发新能源汽车是实现可持续发展的必然要求。锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长等优点，成为当今市场上电动汽车应用广泛的电池体系。随着电动汽车的迅速扩张，锂离子电池在国民经济中的比重和社会发展中的战略地位会越来越重要。

本书在介绍锂离子电池基本原理和基本概念的基础上，首先讨论了多孔电极动力学原理。然后以锂离子电池关键制造工艺为主线，首次系统构筑了制浆、涂布、辊压、分切、装配、焊接和化成等制造工序的工艺原理及应用框架体系，重点讨论了这些制造工序的基本工艺原理、制造设备、工艺调控方法和缺陷预防等内容。后介绍了与锂离子电池类似的锂硫电池和类锂离子电池的研究进展。

锂离子电池性能和质量的提高一直依赖于材料、工艺和装备的理论研究和技术进步，目前关于锂离子电池原材料的专著已经出版多部，但至今还未见到全面系统讨论锂离子电池制造工艺方面的著作出版。本书集成反映了国内外的锂离子电池工艺研究及应用领域的科技成果与相关技术，给出了工艺研究方面的大量基础科学数据，同时包含了作者多年研究成果和实践经验。本书的出版期望有助于推动锂离子电池新工艺、新设备的研发，对提高我国锂离子电池产业的整体技术水平和国际竞争力有所裨益。

本书由我和梁正进行统稿，沈丁参与了部分撰写工作和实验工作。我于1997年在大连理工大学攻读博士学位期间就开始了锂离子电池负极材料的研究工作，随后在广东风华高新科技股份有限公司做博士后期间，进行了锂离子电池工艺和负极材料的产品研发工作。2004年出站以后就一直想撰写一部关于锂离子电池生产工艺方面的书，在这期间，专攻锂离子电池新型电极材料研发的斯坦福大学的梁正博士，与我志同道合，愿将国际前沿的锂离子电池科研进展和研发思路供我参考，与我分享。我们决定共同撰写本书。由于锂离子电池的生产工艺包括多个工序，跨越多个学科，相关理论研究和基础科学数据分散，撰写难度较大，经过十多年的积累和编写，今天终于成稿并与读者见面。

本书得到了国家科学技术学术著作出版基金的资助，特别感谢中国科学院成会明院士、中国工程院温蕴博院士和衣宝廉院士对本书申报的推荐！特别感谢化学工业出版社的编辑给予的帮助和支持！感谢所有对本书撰写做出贡献的人们！

限于作者的知识和能力，疏漏与不足之处在所难免，敬请同行和读者不吝赐教。

杨绍斌

2019年8月

本书在简述锂离子电池基本原理和基本概念的基础上，首先讨论了多孔电极动力学原理，为锂离子电池电化学性能设计提供理论依据。然后以锂离子电池关键制造工艺为主线，首次系统构筑了制浆、涂布、辊压、分切、装配、焊接和化成等制造工序的工艺原理及应用框架体系，重点讨论了这些制造工序的基本工艺原理、制造设备、工艺调控方法和缺陷预防等内容，为锂离子电池制造及工艺研究提供理论指导。*后介绍了与锂离子电池类似的锂硫电池和类锂离子电池的研究进展。本书内容全面系统、重点突出，集成反映了国内外的锂离子电池工艺研究及应用领域的*科技成果与相关技术，体现了锂二次电池的发展和研究趋势。

本书既可供锂离子电池及其相关领域的工程技术人员作为参考书和生产工艺手册使用，又可供科研机构研究人员、高校教师、研究生和高年级本科生作为参考书和教科书使用。

杨绍斌，辽宁工程技术大学材料科学与工程学院 ，院长，教授，博导，中国金属学会材料科学分会理事，辽宁省纳米材料专业委员会副理事长。1986年大连理工大学化学工程专业本科毕业，1990年大连理工大学煤加工工程专业硕士毕业，从事研究方向为新型炭材料。2000年大连理工大学化学工艺学专业博士毕业，从事锂离子电池炭负极材料研究工作。2000年广东风华高新科技股份有限公司博士后工作站做博士后工作，在锂离子电池分公司从事锂离子电池工艺研究及负极材料开发工作。

    承担过钠离子电池负极材料方面的国家自然科学基金项目1项，承担过锂离子电池方面的*博士点基金和辽宁省自然科学基金等课题各1项。承担过中国平媒神马集团、肇庆市风华锂电池有限公司、天津铁成电池材料有限公司的负极材料产品开发项目各1项。获得锂离子电池方面专利共计5项。发表相关论文50余篇。

自从1997开始锂离子电池负极材料研究以来，至今已经涉猎锂离子电池方面的研究领域有正极材料、负极材料和导电剂，以及锂离子电池制浆、涂布和装配、安全性能等工艺研究。即有较好的理论积累，也有丰富的现场经验，撰写这本书包含了作者多年研究成果和实践经验的总结。

第1章锂离子电池概述001

1.1锂离子电池电化学原理/002

1.1.1化学原理/002

1.1.2电池结构及分类/003

1.2锂离子电池原材料及制造/005

1.3锂离子电池性能/006

1.3.1电化学性能/006

1.3.2安全性能/011

1.4锂离子电池发展历程、特点及应用/012

1.4.1锂离子电池发展历程/012

1.4.2锂离子电池特点及应用 /013

参考文献/014

第2章锂离子电池原材料016

2.1锂离子电池正极材料/017

2.1.1正极材料简介/017

2.1.2钴酸锂/018

2.1.3三元材料 /020

2.1.4富锂锰基材料/022

2.1.5尖晶石型锰酸锂/025

2.1.6磷酸铁锂/027

2.2锂离子电池负极材料/030

2.2.1负极材料简介/030

2.2.2石墨材料/031

2.2.3无定形炭/034

2.2.4钛氧化物材料/036

2.2.5SiOx/C复合材料/037

2.2.6Sn基复合材料/039

2.3电解质/040

2.3.1电解质简介/040

2.3.2液态电解质/041

2.3.3半固态电解质——凝胶聚合物电解质/044

2.3.4固态电解质/046

2.4隔膜/048

2.4.1隔膜种类和要求/048

2.4.2湿法聚烯烃多孔膜/050

2.4.3干法聚烯烃多孔膜/050

2.4.4无机/有机复合膜/051

2.5其他材料/052

2.5.1导电剂/052

2.5.2黏结剂/053

2.5.3壳体、集流体和极耳/054

参考文献/055

第3章锂离子电池多孔电极基础056

3.1多孔电极简介/057

3.1.1多孔电极结构/057

3.1.2多孔电极分类/058

3.2锂离子电池多孔电极动力学/058

3.2.1多孔电极过程/058

3.2.2多孔电极动力学/061

3.2.3多孔电极极化/067

3.2.4多孔电极锂离子扩散测量与模拟/073

3.3锂离子电池多孔电极电化学性能/080

3.3.1多孔电极孔隙结构/080

3.3.2多孔电极电化学性能/088

3.3.3多孔电极结构稳定性/091

3.3.4锂离子电池多孔电极结构设计/097

参考文献/100

第4章锂离子电池制浆105

4.1概述/106

4.2悬浮液颗粒受力［1］/106

4.2.1颗粒间作用力/107

4.2.2颗粒受到的其他作用力/111

4.2.3颗粒间距和粒度对颗粒受力的影响/113

4.3静态悬浮液稳定性/114

4.3.1沉降方式/114

4.3.2稳定悬浮液的判据/115

4.4锂离子电池浆料制备原理/117

4.4.1粉体润湿/117

4.4.2粉体分散/119

4.4.3脱气、输送和过滤/122

4.5锂离子电池制浆设备/124

4.6锂离子电池制浆工艺/128

4.6.1浆料体系及要求/128

4.6.2制浆工艺步骤/130

4.6.3悬浮液分散性和稳定性调控/135

4.6.4制浆工艺与极片导电体系/146

参考文献/150

第5章锂离子电池涂布151

5.1涂布流变学基础/152

5.1.1悬浮液分类/152

5.1.2剪切与黏度/154

5.1.3润湿与流平/157

5.2黏度和表面张力调控/159

5.2.1黏度调控/159

5.2.2表面张力调节/165

5.2.3助剂调节/167

5.2.4温度调节/170

5.2.5制浆工艺调节/171

5.3辊涂原理与工艺/174

5.3.1辊涂简介/174

5.3.2单辊涂布/174

5.3.3双辊涂布/179

5.3.4三辊涂布/187

5.4预定量涂布原理与工艺/188

5.4.1坡流涂布原理与工艺/188

5.4.2条缝和挤压涂布原理与工艺/202

5.4.3涂布弊病及消除/212

5.5涂布方法选择/214

5.5.1涂布方法/214

5.5.2涂布方法选择/215

5.6干燥/217

5.6.1干燥简介/217

5.6.2干燥原理与工艺/218

5.6.3干燥时涂膜的流变性质及缺陷预防/225

5.6.4干燥设备/232

参考文献/233

第6章锂离子电池极片辊压236

6.1概述/237

6.2粉体基本性质/237

6.2.1粒度与形状/238

6.2.2群聚集性质/241

6.3粉体充填模型和充填密度/243

6.3.1理想充填模型/243

6.3.2实际粉体充填密度/246

6.4实际粉体压缩性能/248

6.4.1压缩过程/248

6.4.2压缩曲线/249

6.4.3充填和压实的调控/252

6.5极片辊压原理与工艺/254

6.5.1辊压力/255

6.5.2厚度控制/256

6.5.3伸长率/259

6.6辊压极片与电池性能/261

6.6.1压实密度对电池性能的影响/261

6.6.2电极特性对电池充放电性能的影响/266

6.7极片辊压设备/269

6.7.1辊压机/269

6.7.2附加装置/270

6.8极片质量与控制/272

6.8.1极片缺陷及控制/272

6.8.2收放卷缺陷/274

6.8.3极片强韧性/274

6.8.4极片黏结性/276

参考文献/277

第7章锂离子电池极片分切280

7.1极片分切方法/281

7.2极片剪切过程/282

7.3极片剪切工艺/283

7.3.1剪切材料/283

7.3.2剪切力/284

7.3.3刀盘水平间隙和垂直间隙/285

7.3.4剪切速率/288

7.3.5张力/288

7.4极片分切设备/289

7.4.1纵切设备/289

7.4.2横切设备/291

7.5激光分切/292

7.5.1激光分切简介/292

7.5.2激光分切工艺/295

7.6极片分切缺陷及其影响/298

7.6.1分切缺陷/298

7.6.2分切缺陷的影响/300

参考文献/301

第8章锂离子电池配装303

8.1电极卷绕和叠片/304

8.1.1卷绕和叠片工艺/304

8.1.2卷绕和叠片设备/308

8.2锂离子电池组装/312

8.2.1组装工艺/312

8.2.2组装设备/315

8.3锂离子电池装配质量检验/319

参考文献/320

第9章锂离子电池焊接321

9.1焊接概述/322

9.2锂离子电池激光焊接/325

9.2.1激光焊接原理/325

9.2.2激光焊接设备/326

9.2.3脉冲激光缝焊/329

9.2.4脉冲激光点焊/333

9.2.5激光焊接性/334

9.2.6焊接检验及缺陷预防/335

9.2.7激光焊接防护/337

9.3锂离子电池超声波点焊接/337

9.3.1超声焊接原理及特点/337

9.3.2超声焊接设备/339

9.3.3超声波点焊工艺/341

9.3.4超声焊焊接性/348

9.3.5缺陷及预防/353

9.4锂离子电池电阻点焊/354

9.4.1电阻点焊原理及特点/354

9.4.2点焊设备/356

9.4.3电阻点焊工艺/357

9.4.4常用材料焊接性/363

9.4.5缺陷及预防/365

9.5锂离子电池塑料热封装/368

9.5.1热封装原理与设备/368

9.5.2热封工艺/369

参考文献/371

第10章锂离子电池化成373

10.1锂离子电池化成原理/374

10.1.1化成反应/374

10.1.2固体产物及SEI膜/375

10.1.3气体产物与水分/379

10.1.4极片的膨胀/383

10.2锂离子电池化成工艺及设备/387

10.2.1注液工艺及设备/387

10.2.2化成工艺及设备/391

10.2.3老化工艺及设备/395

10.3锂离子电池制造水分控制/396

10.3.1水分控制工艺/396

10.3.2水分控制设备/398

10.4锂离子电池分容分选/399

参考文献/403

第11章动力锂离子电池407

11.1概述/408

11.1.1动力电池简介/408

11.1.2电动汽车动力电池/410

11.2单体动力锂离子电池电性能/412

11.2.1原材料与电性能/412

11.2.2电池结构与电性能/414

11.3单体动力锂离子电池安全性/414

11.3.1热失控及安全性能/414

11.3.2电池结构与安全性能/416

11.3.3设备工艺与安全性能/417

11.3.4原材料与安全性能/419

11.4单体动力锂离子电池一致性/420

11.4.1电池一致性指标/421

11.4.2电池一致性影响因素/423

11.4.3筛选指标与一致性/424

11.4.4一致性与电池组性能/425

11.5动力锂离子电池组管理/428

11.5.1电池组管理系统简介/428

11.5.2电池状态评估/429

11.5.3电池充放电及均衡控制/433

11.5.4电池组温度控制/436

11.6动力锂离子电池组安全技术/439

11.6.1安全技术/439

11.6.2安全性能检测/440

参考文献/441

第12章锂硫电池和类锂离子电池443

12.1锂硫电池/444

12.1.1反应原理及特点/444

12.1.2正极材料/446

12.1.3负极材料/461

12.1.4电解质/465

12.2钠离子电池/469

12.2.1反应原理及特点/469

12.2.2正极材料/470

12.2.3负极材料/475

12.3镁离子电池和铝离子电池/488

12.3.1镁离子电池/488

12.3.2铝离子电池/489

参考文献/491

本书在简述锂离子电池基本原理和基本概念的基础上，首先讨论了多孔电极动力学原理，为锂离子电池电化学性能设计提供理论依据。然后以锂离子电池关键制造工艺为主线，首次系统构筑了制浆、涂布、辊压、分切、装配、焊接和化成等制造工序的工艺原理及应用框架体系，重点讨论了这些制造工序的基本工艺原理、制造设备、工艺调控方法和缺陷预防等内容，为锂离子电池制造及工艺研究提供理论指导。*后介绍了与锂离子电池类似的锂硫电池和类锂离子电池的研究进展。本书内容全面系统、重点突出，集成反映了国内外的锂离子电池工艺研究及应用领域的*科技成果与相关技术，体现了锂二次电池的发展和研究趋势。

本书既可供锂离子电池及其相关领域的工程技术人员作为参考书和生产工艺手册使用，又可供科研机构研究人员、高校教师、研究生和高年级本科生作为参考书和教科书使用。

杨绍斌，辽宁工程技术大学材料科学与工程学院 ，院长，教授，博导，中国金属学会材料科学分会理事，辽宁省纳米材料专业委员会副理事长。1986年大连理工大学化学工程专业本科毕业，1990年大连理工大学煤加工工程专业硕士毕业，从事研究方向为新型炭材料。2000年大连理工大学化学工艺学专业博士毕业，从事锂离子电池炭负极材料研究工作。2000年广东风华高新科技股份有限公司博士后工作站做博士后工作，在锂离子电池分公司从事锂离子电池工艺研究及负极材料开发工作。

    承担过钠离子电池负极材料方面的国家自然科学基金项目1项，承担过锂离子电池方面的*博士点基金和辽宁省自然科学基金等课题各1项。承担过中国平媒神马集团、肇庆市风华锂电池有限公司、天津铁成电池材料有限公司的负极材料产品开发项目各1项。获得锂离子电池方面专利共计5项。发表相关论文50余篇。

自从1997开始锂离子电池负极材料研究以来，至今已经涉猎锂离子电池方面的研究领域有正极材料、负极材料和导电剂，以及锂