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鋰離子電池極耳設(shè)計(jì)公式

1.電池極耳是什么？

極耳，是軟包鋰離子電池產(chǎn)品的一種組件。電池分為正極和負(fù)極，極耳就是從電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體，通俗的說電池正負(fù)兩極的耳朵是在進(jìn)行充放電時(shí)的接觸點(diǎn)。電池的正極使用鋁（Al）材料，負(fù)極使用鎳（Ni）材料，負(fù)極也有銅鍍鎳（Ni—Cu）材料，它們都是由膠片和金屬帶兩部分復(fù)合而成。

2.極耳的分類

2.1按極耳金屬帶材質(zhì)分：

⑴鋁（Al）極耳，一般用作正極極耳，如果電池為鈦酸鋰負(fù)極時(shí)，也用作負(fù)極極耳。

⑵鎳（Ni）極耳，用作負(fù)極極耳，主要用在數(shù)碼類小電池上，例如：手機(jī)電池、移動(dòng)電源電池、平板電腦電池、智能傳遞設(shè)備電池等。

⑶銅鍍鎳（Ni—Cu）極耳，用作負(fù)極極耳，主要應(yīng)用于動(dòng)力電池和高倍率電池。

2.2 按照極耳膠來分（國(guó)內(nèi)市場(chǎng)）：

⑴黑膠極耳，一般用在中低端數(shù)碼類小電池上。

⑵黃膠極耳，一般用在中低端動(dòng)力電池和高倍率電池上。

⑶白膠極耳 ，一般用在高端數(shù)碼電池、動(dòng)力電池和高倍率電池上。

2.3極耳的成品包裝分為：

⑴盤式極耳（整條金屬帶通過設(shè)備加上膠片后整條的卷繞成盤），用在自動(dòng)化生產(chǎn)產(chǎn)線

⑵板式極耳（金屬帶加上膠片后裁切成單個(gè)的，然后成排擺放用兩片薄透明塑料片夾在中間），用于普通生產(chǎn)產(chǎn)線。

3.電池極耳金屬帶材質(zhì)

AL1050鋁合金為純鋁中添加少量銅元素形成，具有極佳的成形加工特性、高耐腐蝕性、良好的焊接性和導(dǎo)電性。

TU1為無氧銅，氧和雜質(zhì)含量極低，純度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性極好，延展性極好，透氣率低，無“氫病”或極少“氫病”；加工性能、焊接、耐蝕耐寒性均好。

4.各種品牌極耳膠結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

4.1 各種品牌極耳膠結(jié)構(gòu)

目前極耳膠都是從日本進(jìn)口而來，極耳膠生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)是：PP材料的分子量要控制在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)，目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)生產(chǎn)出的PP膠達(dá)不到要求。

極耳膠結(jié)構(gòu)：極耳膠一般由三層材料熱壓在一起而構(gòu)成,除凸版及昭和制造單層改性PP構(gòu)成及騰森制造五層極耳膠以外。一般極耳膠由中間骨架層及兩表面改性PP層構(gòu)成,兩表面的改性PP材質(zhì)相同。日立和騰森為了追求超高的粘合層與金屬帶的粘合強(qiáng)度，兩個(gè)表面的改性PP材質(zhì)不同，一面是親金屬性改性PP，另一個(gè)表面是親塑性改性PP。這種極耳膠，制作極耳時(shí)一旦極耳膠表面用反了，則必定會(huì)造成電芯漏液氣脹事故。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，極耳制造所使用的極耳膠分為白膠、黑膠、黃膠和單層膠。其中高端電芯客戶大多采用單 層凸版80μm和50μm白膠。一般中低端客戶采用DNP黑膠和DNP黃膠。三層結(jié)構(gòu)的白膠在日本和韓國(guó)大量采用。單層白膠在日韓電芯公司用的極少，基本都用三層結(jié)構(gòu)白膠。國(guó)內(nèi)較高端的電芯公司也在逐步采用三層結(jié)構(gòu)的白膠。

4.2 各品牌極耳膠性能

DNP黃膠結(jié)構(gòu)為中間功能層UHR（為無紡布結(jié)構(gòu)），表面兩層為改性PPa。

UHR層厚度為14g/m2≈12μm,表面改性PPa厚度為44μm。

UHR熔點(diǎn)為310~340℃，PPa熔點(diǎn)為147℃。     

黃膠極耳有分層的危險(xiǎn)。但黃膠極耳的封裝條件比白膠容易調(diào)節(jié)。前期日本極耳膠供應(yīng)商也提到黃膠的不足，表現(xiàn)為3點(diǎn)：    

1）極耳膠是由中間一層UHR和表面兩層改性PP膠熱壓在一起的。 

2）中間層無紡布,水分會(huì)從無紡布中通過毛細(xì)管滲透作用引入到電池內(nèi)部,使得電池發(fā)鼓氣脹。   

3）無紡布容易分層，熱壓效果不好，電芯使用時(shí)間或擱置時(shí)間長(zhǎng)了容易造成漏液。

DNP黑膠結(jié)構(gòu)為中間功能層PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）薄膜，表面兩層為改性PPa。PEN層厚度為12μm,表面改性PPa厚度為44μm。PEN熔點(diǎn)為265℃，PPa熔點(diǎn)為147℃。黑膠其功能層PEN和PP層為不同物質(zhì)復(fù)合,存在分層風(fēng)險(xiǎn),高端客戶一般不采用此膠。

白膠

白膠又分為單層白膠、三層白膠、五層白膠。

單層白膠一般由一層改性PP構(gòu)成，類似于初期的鋁塑膜內(nèi)層，熔點(diǎn)在140℃以上，與鋁塑膜的內(nèi)層CPP熔點(diǎn)接近。

三層結(jié)構(gòu)白膠表面兩層改性PP和中間骨架層PP經(jīng)共擠制得，不存在分層風(fēng)險(xiǎn),高端客戶及動(dòng)力電芯一般都采用此類極耳膠。

5.各種極耳膠性能比較

5.1 黃膠極耳和黑膠極耳的比較

DNP黑膠其功能層PEN和PPa層為不同物質(zhì)復(fù)合,界面多,經(jīng)過電解液浸泡后本身會(huì)分層剝離。PEN熔點(diǎn)為265℃，PPa熔點(diǎn)為147℃。且黑膠PPa層里還有3種不同融點(diǎn)的物質(zhì),黑色素:66℃,PE 105℃,PP167℃,界面更加不穩(wěn)定。 

黃膠極耳功能層本身融點(diǎn)300℃以上,所以熱封時(shí)會(huì)更好操作。中間功能層改用了無紡纖維層代替原來的聚萘二甲酸乙二醇酯,界面融合較黑膠好,但仍然無法解決不同物質(zhì)之間的徹底融合問題。黃膠由于本身PPa層技術(shù)的原因,在熱封后會(huì)變得異常堅(jiān)硬,失去柔韌性,在封裝電池和后期加工(轉(zhuǎn)鎳、加板)時(shí),易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產(chǎn)生漏液、氣脹等。

5.2 黃膠極耳和白膠極耳的比較

白膠采用三層具有不同功能的PP材料經(jīng)共擠制得，其功能層熱封溫度較寬165~167℃,略低于電池封裝溫度（180-220度),可以有效的防止切面短路問題,增大了電池封裝時(shí)可操作的溫度范圍,提高了電池生產(chǎn)的成品率。

黃膠極耳由于本身PP層技術(shù)的原因,在熱封后會(huì)變得異常堅(jiān)硬,失去柔韌性,在封裝電池和后期加工（轉(zhuǎn)鎳、加板）時(shí),易使極耳膠及極耳金屬斷裂,從而使電池產(chǎn)生漏液、氣脹等,而白膠極耳由于3個(gè)功能層使用的材料屬于同類物質(zhì)（PP類）,在熱封后仍可以保持極高的柔韌性。

5.3 白膠極耳和單層白膠的比較

單層白膠類似于初期的鋁塑膜內(nèi)層,因只有一個(gè)融點(diǎn),熱封溫度超過融點(diǎn)則易導(dǎo)致完全熔解短路,熱封溫度在不足時(shí)則形成軟化,這將導(dǎo)致和鋁塑膜的CPP層不能完全融解聚合,電池容易漏液脹氣。三層結(jié)構(gòu)的白膠極耳,由于外層采用與鋁塑膜內(nèi)層類似的材料,保證了與鋁塑膜的融合,而表面改性PP與中間層PP之間的30℃以上的溫差具有更廣的熱封溫度,使封裝的操作性更強(qiáng)，保證了極耳膠與鋁塑膜之間的封裝可靠性。下表為谷口80μm厚三層白膠極耳與凸版會(huì)社80μm厚單層白膠極耳硬封封裝拉力測(cè)試比較: 

5.4 三層白膠極耳和三層或五層白膠（分正反面）極耳的比較

如前所述，三層白膠極耳外層采用與鋁塑膜內(nèi)層類似的材料,具有更廣的熱封溫度,保證了與鋁塑膜的融合,而3層PP間明顯的溫差使封裝的操作性更強(qiáng)。

極耳膠表面分正反面的極耳膠極耳，如果在制作極耳的過程中用反了，則電芯在極耳膠處必然會(huì)發(fā)生漏液事故，國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生多次此類事故。而如果嚴(yán)格控制極耳制作過程，不發(fā)生用錯(cuò)極耳膠正反面的問題，其極耳膠與金屬帶之間的熔接強(qiáng)度比正常三層極耳膠極耳的要高。

下表為谷口100μm厚三層白膠極耳與日立100μm厚三層白膠（分正反面）極耳及滕森105 μm厚五層白膠（分正反面）極耳軟封封裝拉力測(cè)試比較: 

5.5 日立三層白膠和單層白膠

5.6 日立三層白膠和單層白膠DSC圖

6.1 電池極耳生產(chǎn)流程（白膠）

動(dòng)力銅鍍鎳極耳：銅保證導(dǎo)電性；經(jīng)過表面處理后鎳起到防止銅氧化的作用，如果要保證銅鍍鎳極耳的焊錫性，還需要對(duì)極耳的表面鈍化膜進(jìn)行二次處理。市場(chǎng)上一些公司的極耳不進(jìn)行二次處理也能勉強(qiáng)上錫，但極耳的耐電液腐蝕性差些。

目前，在極耳工業(yè)生產(chǎn)中，鍍鎳主要采用電鍍鎳和化學(xué)鍍鎳工藝兩種，電鍍鎳層厚度1.8±0.3um，化學(xué)鍍鎳層厚度1.0±0.3um。

6.2 動(dòng)力極耳金屬帶削邊處理

動(dòng)力極耳的金屬帶厚度超過0.2mm時(shí)，其臺(tái)階厚度超過PP膠厚度，則金屬帶需做側(cè)邊削邊處理，否則易導(dǎo)致絕緣阻抗降低、產(chǎn)生脹氣漏液的風(fēng)險(xiǎn)。

7.電池極耳的測(cè)試

7.1 電解液浸泡后滲透測(cè)試

7.2.1 電解液浸泡后熱封強(qiáng)度測(cè)試

7.2.2 電解液浸泡后滲透測(cè)試

參照：日本某EV電芯廠家對(duì)EV與ESS極耳的技術(shù)要求。

電解液浸泡65℃×28天，極耳膠與金屬導(dǎo)體的玻璃強(qiáng)度要求＞15N/15mm。

總結(jié)：國(guó)內(nèi)電動(dòng)EV用極耳的耐電解液判定之最低標(biāo)準(zhǔn)為：

1. 85℃×24h電解液浸泡，極耳膠與金屬導(dǎo)體的玻璃強(qiáng)度PeelStrength＞15N/15mm。

2. 85℃×24h電解液浸泡，滲透液不能侵入膠體內(nèi)。

7.3 彎折測(cè)試

厚度＜0.2mm時(shí)：鋁、鎳Tab≥7次；鍍鎳銅≥6次；

厚度≥0.2mm時(shí)：鋁、鎳、鍍鎳銅Tab≥5次；

符合EV動(dòng)力應(yīng)用的耐震、耐疲勞韌性測(cè)試。

7.4.1 銅鍍鎳動(dòng)力極耳——鍍層密著性測(cè)試

要求：鍍層無發(fā)黑。

長(zhǎng)時(shí)間大電流、行駛震動(dòng)等情況下鍍層性能不足時(shí)會(huì)：

電芯內(nèi)部——鍍層脫落至極片——微短路——自放電；

電芯外部——PACK焊接處鍍層松動(dòng)——接觸內(nèi)阻變大——or焊接處脫落。

7.4.2 金屬極耳導(dǎo)體關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

7.5 盤式極耳——膠塊脆化程度測(cè)試

“極耳”是一個(gè)“連接、導(dǎo)電、密封件”?！斑B接”是指電池內(nèi)外連接，極耳膠與鋁塑膜的連接;“導(dǎo)電”是指通過極耳將電引出來及產(chǎn)生回路；“密封”是指膠條與金屬帶之間的密封和膠條與鋁塑膜之間的密封。

一個(gè)極耳是由兩片膠片把金屬帶夾在中間的。目前市場(chǎng)使用的膠片有黑膠、白膠和單層膠三種。常用的黑膠片是三層結(jié)構(gòu)的：黑色素，熔點(diǎn)66℃；PE，熔點(diǎn)105℃；PP，熔點(diǎn)137℃。極耳的成品包裝分為盤式（整條金屬帶通過設(shè)備加上膠片后整條的卷繞成盤）和板式（金屬帶加上膠片后裁切成單個(gè)的，然后成排擺放用兩片薄透明塑料片夾在中間）。

鋰電池極耳連接方法

1.鉆孔攻絲后上螺絲。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械連接強(qiáng)度高，牢固可靠，費(fèi)用低。

缺點(diǎn)：由于厚度未知，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

2.鉆孔攻絲后用普通焊錫焊接銅絲，用鋁塊試驗(yàn)，步驟：打孔功絲用錫焊絲把空塞滿中間別忘了塞銅絲銅絲1.0的烙鐵化錫老虎鉗拉不下來銅絲為保險(xiǎn)起見一個(gè)極柱最好兩到三個(gè)空然后上紫銅帶相當(dāng)牢固。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，容易操作，費(fèi)用低。

缺點(diǎn)：焊接是否牢固有待檢驗(yàn)。

3.使用M51焊絲（低溫焊絲）直接焊接，焊接材料：M51+M51-F，低溫銅鋁焊接。M51是WEWELDING-M51的簡(jiǎn)稱，也叫萬能51，是美國(guó)R&D工業(yè)公司出廠的牌號(hào)，它是一種含有特殊稀有元素的低溫銅鋁焊絲，2010年由威歐?。ㄌ旖颍┖附蛹夹g(shù)有限公司引進(jìn)中國(guó)大陸主要用于在低溫下解決幾乎所有白色金屬的顯著能力，白色金屬包括鋅（幾乎不能焊接）、銅鉛合金、錫鉛合金、鋁和鉛等。M51還可將上述任何一種金屬與銅、黃銅、鋼、不銹鋼或青銅等其他任何金屬焊合。馬云家上搜索，價(jià)格有點(diǎn)小貴，直徑1.3毫米3米長(zhǎng)的M51就要25元，M51-F助焊劑一小瓶就要50元。

優(yōu)點(diǎn)：介紹上說設(shè)備簡(jiǎn)單、焊接牢固。

缺點(diǎn)：費(fèi)用偏高，是否牢固有待檢驗(yàn)。

4.超聲波焊接

軟包裝鋰離子動(dòng)力電池極耳焊接結(jié)構(gòu)技術(shù)方案是在正、負(fù)極耳焊接時(shí)，直接將極耳金屬片與電池集流體通過超聲焊接機(jī)以直焊的方式焊接。

鋰離子電池的電芯在制作過程中，電芯由多層電芯極片疊加而成，每層電芯箔片伸出一層極耳箔片，在電芯箔片對(duì)齊后極耳箔片也貼合并對(duì)齊在一起，需要將電芯箔片焊接在一起形成電芯，并把極耳箔片焊接在一起形成極耳，由于極耳箔片很薄，僅有0.01mm左右，因此傳統(tǒng)一般通過超聲波焊接，焊接時(shí)在疊加后的極耳箔片的下部墊上底模作為支撐，將超聲波焊接裝置的焊頭壓在疊加后的極耳箔片上并通過焊頭給極耳箔片施加一定的壓力，然后開動(dòng)超聲波焊接裝置，焊頭直接輸出超聲波，在高頻振動(dòng)下實(shí)現(xiàn)相鄰極耳箔片上原子的共振，從而將極耳箔片結(jié)合在一起。

鋰電池超聲波極片極耳焊接機(jī)