1、鋰離子電池生產(chǎn)過程中的重要質(zhì)量管控點(diǎn)第38卷2008正第5期10月電池BATTERY BIMONTHLYV01.38.NO.5 Oct.2008鋰離子電池生產(chǎn)過程中的重要質(zhì)量管控點(diǎn)吳雪平(無錫日立麥克賽爾有限公司，江蘇無錫214028)摘要:介紹了鋰離子電池封口體組件、卷繞、組裝、注液、化成和特性檢查 過程中的一些重要的質(zhì)量管控點(diǎn)，對焊接強(qiáng)度、毛刺、電極狀態(tài)和短路等的控 制目的及控制方法進(jìn)行了說明。強(qiáng)調(diào)了乂射線檢查、耐電壓檢測、電壓差管理 等在質(zhì)量管理上的重要性。關(guān)鍵詞:鋰離子電池；生產(chǎn)過程;質(zhì)量控制點(diǎn);X射線檢查；電壓差管理 中圖分類號:TM912.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10011579

2、(2008)05 030504Important quality control points in manufacturing process of Li ion battery WU Xueping(Wuxi Hitachi Maxell Co.,Ltd.,Wuxi,Jmn 伊 u 214028,China)Abstract:The important quality control points in manufacturing process of Li ion battery such a8gasket sealing unit assembling, jelly roll wind

3、ing,assembly,electrolytepouring,formation and characteristics checking wereintroduced.Control purpose andcontrol methods of welding intensity,cutting burr,dectrode alignment and short circuit were analyzed.The importance of Xray impection,with8t 齟 ding voltage test and voltage drop control were emph

4、asized.Key words:Li-ion battery;manufacturing process;quality control points;Xray inspection;voltage drop control鋰離子電池的質(zhì)量，尤其是安全性能受到了越來越多的消費(fèi)者的關(guān)注。在 電池設(shè)計(jì)上,有專門針對極端情況，即萬一發(fā)生嚴(yán)重質(zhì)量問題時(shí)的保護(hù)措施，如 在電池的鋁殼(正 極罐)上有安全閥(開裂閥)，還采用專門的保護(hù)電路(PCM)和 熱敏電阻(PTC),防止過充電、過放電和過電流等情況下 電池發(fā)熱、起火及爆炸 等危害人身和財(cái)產(chǎn)的事故。更重要的是各生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中應(yīng)針對一些 薄弱點(diǎn)加強(qiáng)

5、質(zhì)量 管控，從源頭上防止出現(xiàn)各種可能涉及安全性能的質(zhì)量異常。 這些異常一旦出現(xiàn)，僅靠最終的出廠質(zhì)量檢查手段是很 難全部檢出和排除的。本文作者主要針對沒有焊接PCM和PTC的鋰離子電池（以方形鋰離子電池 為例）在生產(chǎn)過程中的一些重要質(zhì)量 控制項(xiàng)目及如何控制等，進(jìn)行了詳細(xì)地描述 和說明。l鋰離子電池的基本構(gòu)造和生產(chǎn)流程典型的手機(jī)用鋰離子電池構(gòu)造見文獻(xiàn)2?？蓪囯x子電池的生產(chǎn)流程簡 單地分為封口體組件裝配、電極卷繞、組裝、注液、化成和特性檢查等主要工 序。2封口體組件裝配工序該工序?qū)⒇?fù)極端子、密封件、蓋、絕緣板和押板鉚合在一起，形成組件。 該工序?qū)﹄姵氐馁|(zhì)量很重要,但容易被人們忽視。2.1封口體組件

6、鉚合后的高度2.1.1控制目的鉚合后的高度決定了封1:1體組件的鉚合強(qiáng)度。鉚合強(qiáng)度不夠，將導(dǎo)致電 池內(nèi)阻升高甚至電流無法輸出，如果負(fù)極端子在其他生產(chǎn)工序中受力，使押板傾 斜，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部短 路;鉚合強(qiáng)度過大，可能使密封件破裂，導(dǎo)致失去絕緣作 用。2.1.2控制方法一般采用在線高度測量計(jì)進(jìn)行全數(shù)檢查。2.2封口體組件的扭矩2.2.1控制目的控制目的與封口體組件鉚合后的高度相同。鉚合后高度的測量是非破壞性 的，無法得到鉚合強(qiáng)度的實(shí)際數(shù)據(jù)，因此有必要進(jìn)行破壞性的抽樣檢查。2.2.2控制方法將封1:3體組件放入對應(yīng)的檢測夾具，將檢測夾具與上部 嵌合，將繩子放入 軌道,用彈簧秤勾住繩子的頭部，以垂直方

7、向從開始點(diǎn)拉至終止點(diǎn)（45。），讀取 彈簧秤的讀數(shù)（圖1）。一般要用管理圖控制。作者簡介：吳雪平（1972 ），男,江蘇人，無錫日立麥克賽爾有限公司工程師，主要從事 鋰離子電池生產(chǎn)質(zhì)量管理工作。萬方數(shù)據(jù)電池BATTERY BIMONTHLY 第 38 卷圖1封口體組件鉚壓扭矩測量圖Fig.1Measuring method of torque for gasket sealing unit 2.3 封口 體組件的絕緣性2.3.1控制目的部件上的金屬毛刺容易刺穿密封件，鉚合強(qiáng)度過大也可能使密封件破裂，導(dǎo) 致封口體組件失去絕緣作用。2.3.2控制方法一般采用在線內(nèi)阻表進(jìn)行全數(shù)內(nèi)阻測量。2.4封口體

8、組件的外觀2.4.1控制目的防止在加工過程中押板傾斜、接觸密封件部位存在毛刺等造成電池內(nèi)部短 路;蓋的注液孔內(nèi)有毛刺，易掉入電池內(nèi)部，造成質(zhì)量問題;如果對蓋的安全閥造 成了損傷，也會(huì)導(dǎo)致 漏液。鉚合不好，易導(dǎo)致電池在受到振動(dòng)時(shí)內(nèi)阻升高。2.4.2控制方法用顯微鏡進(jìn)行全數(shù)檢查。3卷繞工序該工序?qū)⒄?、?fù)電極箔和正、負(fù)極引板焊接,再與正、負(fù)隔膜卷繞在一起, 形成卷繞體，組成電池的內(nèi)芯，是鋰離子電池生產(chǎn)的核心工序，決定了電池的安 全和質(zhì)量。3.1電極及引板切斷后的毛刺3.1.1控制目的電極和引板如果切斷后毛刺（毛邊）過長,將穿透隔膜，引起內(nèi)部短路或微短 路。毛刺應(yīng)小于隔膜的厚度，如20 t-tmo3.

9、1.2控制方法定期抽樣,用顯微鏡測量，要注意同時(shí)測量平面和斷面的毛刺，一般要用管 理圖控制。3.2電極箔和引板的焊接強(qiáng)度3.2.1控制目的在電極箔和引板焊接強(qiáng)度不足或虛焊、脫焊的情況下，電池受到振動(dòng)或沖 擊會(huì)影響導(dǎo)電性，導(dǎo)致內(nèi)阻增大;最壞的情況下，電池會(huì)失效（無法輸出電流）。3.2.2控制方法由于是破壞性檢查,只能抽樣用拉力機(jī)來檢查焊接后的剝離強(qiáng)度，一般要用 管理圖控制。不僅要看焊接強(qiáng)度，還要注意焊點(diǎn)的狀態(tài)及剝離后的箔體殘留面 積等。針對可能發(fā)生的脫焊，可在生產(chǎn)中，增加用一種裝置夾住引板的工序，以 適當(dāng)?shù)牧?，進(jìn)行全數(shù)確認(rèn)。3.3正、負(fù)極和隔膜的相對位置3.3.1控制目的正、負(fù)極和隔膜的相對

10、位置，決定了鋰離子電池的安全 性能。在正常情況 下，隔膜縱向要比正、負(fù)電極長，負(fù)極縱向要比正極長，這樣隔膜就可包住電極, 防止縱向正、負(fù)極直接 接觸;負(fù)極中的石墨需要吸納來自正極的Li+，如果負(fù)極 比正極短，那么來自正極的Li+無法被負(fù)極吸納，將堆積成鋰 枝晶析出，最終將 刺穿隔膜,造成內(nèi)部短路【3J。正、負(fù)極橫向的相對位置也很重要。正、負(fù)極 之間的隔膜萬一破損或受熱收縮，正、負(fù)極就有可能直接接觸（內(nèi)部短路）。若 正、負(fù)極的金屬箔直接接觸，由于金屬箔本身的阻抗很小，將導(dǎo)致內(nèi)部短路時(shí) 的電流很大，電池將產(chǎn)生發(fā)熱、膨脹，甚至爆裂。3.3.2控制方法進(jìn)行抽樣檢查，更重要的是通過x射線檢查卷繞體內(nèi)部

11、的狀態(tài)，即正、負(fù)極 縱向的相對位置（圖2a）,包括正、負(fù)極是否卷成了筍狀（圖2b）。圖2通過x射線可以發(fā)現(xiàn)的各種不良Fig.2Some kinds of defects could be found by X-my inspection 3.4 卷繞體絕緣性能3.4.1控制目的金屬異物的混入、引板或電極箔切割后的碎屑掉入、電萬方數(shù)據(jù)第5期 吳雪平:鋰離子電池生產(chǎn)過程中的重要質(zhì)量管控點(diǎn)極涂層的脫落、隔膜在卷繞過程中的破損等,均會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路或微短路, 因此要檢測卷繞后卷繞體的絕緣性能。3.4.2控制方法一般采用在線內(nèi)阻表進(jìn)行全數(shù)內(nèi)阻測量（2Mfl以上），可發(fā)現(xiàn)并排除已經(jīng)產(chǎn) 生內(nèi)部短路的卷繞體；同

12、時(shí)使用x射線 來檢查卷繞體的內(nèi)部狀態(tài),觀察電極或隔 膜是否有破損、有異物混入等，以排除存在內(nèi)部短路隱患的卷繞體。4組裝工序該工序?qū)⒕砝@體插入正極罐（一般是鋁罐），再放人防止正、負(fù)引板彎曲時(shí) 引起短路的上部絕緣板，接著將正、負(fù)引板 焊接到封口體組件上，最后對封13 體組件和正極罐的接縫處進(jìn)行激光焊接密封。這個(gè)工序的重點(diǎn)是防止可能產(chǎn)生 的內(nèi)部短路等問題。4.1卷繞體的插入狀態(tài)4.1.1控制目的卷繞體插入正極罐時(shí)，易產(chǎn)生插入不到位（過深、過淺和 傾斜）及插入異常, 如側(cè)面彎曲（圖2c）、破損等（圖2d）。尤 其是插入異常，將導(dǎo)致內(nèi)部短路。4.1.2控制方法鑒于普通的檢查是破壞性的，只能通過全數(shù)x射線

13、檢查 的方式進(jìn)行。4.2封口體組件和引板的焊接強(qiáng)度4.2.1控制目的將電極上的正、負(fù)引板焊接到封13體組件上，在焊接強(qiáng) 度不足或虛焊、脫 焊的情況下（圖2e）,電池受到振動(dòng)或沖擊時(shí)將影響導(dǎo)電性，導(dǎo)致內(nèi)阻增大;最壞 的情況下，電池會(huì)失效（無法輸出電流）。4.2.2控制方法因?yàn)槭瞧茐男詸z查,所以只能抽樣用拉力機(jī)來檢查焊接后的剝離強(qiáng)度，一般 要用管理圖控制。不僅看焊接強(qiáng)度，還 要注意焊點(diǎn)的狀態(tài)。4.3封口體組件和正極罐嵌合后的內(nèi)部狀態(tài)4.3.1控制目的封口體組件和正極罐嵌合時(shí)，正、負(fù)引板在正極罐中的彎曲狀態(tài)很重要，尤 其是負(fù)極引板。如果在彎曲時(shí)形狀異常、或碰到正極罐內(nèi)壁，將導(dǎo)致內(nèi)部短 路。引板在彎曲

14、時(shí)，也可能引起斷裂（圖2f）,導(dǎo)致內(nèi)部斷路，電流無法輸出。4.3.2控制方法對負(fù)極引板和正極罐內(nèi)壁之間的安全距離，可通過自動(dòng)x射線檢查選別裝 置來進(jìn)行（圖29）,對于引板形狀異常、斷 裂等,只能通過人工X射線來判斷。 一般采用全數(shù)自動(dòng)X射線檢查和抽樣人工x射線檢查相結(jié)合的方式。4.4封口體組件和正極罐焊接強(qiáng)度4.4.1控制目的封口體組件與正極罐焊接不好，將起不到密封的作用，直接導(dǎo)致電解液泄漏; 如果焊接強(qiáng)度不夠，電池在跌落時(shí)易產(chǎn)生裂縫。4.4.2控制方法一般可將兩種方法配合使用。檢查焊接深度,在側(cè)面銼開焊接處,用顯微 鏡測量焊縫的深度;使用水壓裝置（原理類似于液相色譜儀），將正極罐底部鉆 出一

15、個(gè)小孔,將水壓 裝置的出水接頭纏上生膠帶后塞進(jìn)小孔,逐漸升高水壓，在 焊縫被沖破的瞬間讀出水壓值（焊接強(qiáng)度很好的情況下，往往是正極罐側(cè)面先破 裂）。這兩種方法都屬于抽樣破壞性檢查，要用管理圖控制。焊接狀態(tài)的外觀檢 查（是否有裂縫、小 孔等）也是必要的。4.5組裝完成品的潛在內(nèi)部短路（異物混入）4.5.1控制目的電池在組裝過程中，可能會(huì)有脫落的電極涂層、正極罐開口處的毛刺、引 板切斷后的碎屑等金屬異物混入（圖2h）,雖然當(dāng)時(shí)沒有引發(fā)內(nèi)部短路（針對電 池進(jìn)行開路電壓和內(nèi)阻的檢測.無法檢出），但在使用過程中，金屬異物可能逐漸 穿透隔膜，引發(fā)內(nèi)部短路導(dǎo)致電池失效。要針對電池內(nèi)部可能發(fā)生的潛在短路 問題

16、進(jìn)行控制。4.5.2控制方法采用耐電壓裝置，在電池的正、負(fù)極之間加上幾百伏的瞬間高電壓,如果隔 膜上附有金屬異物，在瞬間高電壓的引導(dǎo)下，將擊穿隔膜，導(dǎo)致內(nèi)部短路,這樣可 將不良電池排出。一般采用全數(shù)自動(dòng)耐電壓檢查的方法。5注液工序該工序是往電池中真空灌注電解液，再將注液孔密封的過程。目前生產(chǎn)的 高性能電池，一般采用兩次注液、兩次注液之間進(jìn)行預(yù)化成。需要指出的是，注 液要求在干燥的環(huán)境中進(jìn)行，要控制整個(gè)工序的濕度（露點(diǎn)管理）。電池在注液 前需要進(jìn)行高溫真空干燥,徹底排除內(nèi)部的水分，并對真空干燥的溫度、時(shí)間 等進(jìn)行管理。5.1注液量5.1.1控制目的注液量不足,將引起電池容量偏低、內(nèi)阻偏大及膨脹等

17、問題。注液量過多, 電解液在預(yù)化成時(shí)易溢出注液孔，造成 注液孔密封（焊接）時(shí)容易產(chǎn)生焊接小 孔、裂縫等問題。5.1.2控制方法用自動(dòng)電子天平對注液前后的電池進(jìn)行全數(shù)稱重來控制,要用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對 自動(dòng)電子天平進(jìn)行日常校檢，因?yàn)橐绯龅碾娊庖喝菀自陔娮犹炱絻?nèi)結(jié)晶，甚至腐 蝕電子天平。5.2預(yù)化成的條件5.2.1控制目的預(yù)化成一般是分幾個(gè)階段對電池進(jìn)行恒流充電，目的是 對電池少量適度充 電，使之激活，使電池內(nèi)部充電導(dǎo)致化學(xué) 反應(yīng)而產(chǎn)生的氣體,在電池封口前排出, 避免膨脹。若每個(gè)階段的充電電流偏小、時(shí)間偏短的話,將起不到激活電極、 排出氣體的效果，在正式化成后可能會(huì)導(dǎo)致膨脹。預(yù)化成后的萬方數(shù)據(jù)308電池B

18、ATTERY BIMONTHLY第38卷陳化時(shí)間（如30120rain）也要控制，以確保電解液有足夠 的時(shí)間充分、 均勻地浸潤到電極和隔膜內(nèi)部。5.2.2控制方法使用電流表對預(yù)化成設(shè)備的輸出電流進(jìn)行定期點(diǎn)檢，并記錄充電和陳放時(shí) 間。有特殊要求的場合，還要對預(yù)備化成工序的溫度進(jìn)行控制。5.3注液孔焊接后的密封（焊接）狀態(tài)5.3.1控制目的注液孔的焊接效果不好，將起不到密封的作用，直接導(dǎo) 致電解液泄漏或外面 的水分進(jìn)入電池內(nèi)部，導(dǎo)致電池膨脹。5.3.2控制方法用CCD畫像檢查機(jī)對焊接軌跡進(jìn)行全數(shù)檢查,對是否 有裂縫、小孔等問題, 則由人工使用顯微鏡進(jìn)行檢查。6化成和特性檢查工序該工序?qū)﹄姵剡M(jìn)行充放

19、電，將電池激活，并在電極表面 形成SEI膜。化成分 一次和二次化成，中間有一個(gè)高溫加常溫的老化過程。SEI膜主要在老化過程 中形成，對電池的循環(huán)性能、貯存壽命、不可逆容量損失和安全性能起著重要 的作用引。二次化成后到出貨前，需要714d的陳化時(shí)問。6.1化成工序的 電壓、內(nèi)阻及容量檢查6.1.1控制目的在一次和二次化成工序中，要對各階段的電壓進(jìn)行點(diǎn)檢 和監(jiān)控，這屬于針對 化成設(shè)備的管理項(xiàng)目，以防止電池充放 電不足或被過充過放，導(dǎo)致電池出現(xiàn)爆 裂。需要檢查一次和 二次化成后電池的有關(guān)電性能，及時(shí)排除化成不良品。6.1.2控制方法對一次化成后的電壓，二次化成后的電壓、內(nèi)阻和容量 進(jìn)行全數(shù)檢查;還要

20、 對外觀（是否有漏液、膨脹等）進(jìn)行全數(shù) 檢查。6.2電壓差的控制6.2.1控制目的鋰離子電池的最終檢查，不應(yīng)該僅根據(jù)規(guī)格來判斷，尤其是電壓。限于目前 的制造技術(shù)，尤其是正、負(fù)電極的制造技術(shù)，尚無法完全杜絕電池內(nèi)部微短路的 產(chǎn)生。微短路一般是指電極涂層上脫落的活性物質(zhì)、電極表面的微小突起、空氣 中的粉塵等在隔膜上附著后，當(dāng)時(shí)沒有直接貫通隔膜，但潛在的導(dǎo)通部位，隨著 時(shí)間的增加慢慢地貫穿隔膜.最終導(dǎo)致電池短路。隔膜上的黑色斑點(diǎn)，一般認(rèn)為 是微短路的原因。正常電池雖然也存在自放電現(xiàn)象，但電壓 比較穩(wěn)定，表現(xiàn)為二 次化成后的每月電壓降不超過4 6mV，而存在微短路的電池，電壓降超過這個(gè) 幅度。組裝工序中的耐電壓檢查,無法從根本上控制微短路，尤其是在化成過程中 逐漸產(chǎn)生的微短路。6.2.2控制方法有兩種方式進(jìn)行電壓差的控制。如果每一只電池在化成結(jié)束后到最終出 貨前能做到在電壓檢測時(shí)一一對應(yīng)，就 可以在兩次電壓檢測值之間設(shè)置一個(gè)電 壓差來進(jìn)行管理，但 這需要大量的人力物力及專用電池托盤;針對每個(gè)制造批 次,在出貨前的電壓檢測時(shí)進(jìn)行4-30或4-4a管理，即在設(shè)置 電壓的檢測上下限 值時(shí)，不是采用規(guī)格值，而是采用比規(guī)格值更為嚴(yán)格的d管理線，這樣可將每個(gè) 制造批次中電壓偏差 較大的電池（雖