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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(lái)的金屬導(dǎo)電體，通俗的說(shuō)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(lái)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(guò)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(wú)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(wú)“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(lái)，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(wú)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(wú)紡布,水分會(huì)從無(wú)紡布中通過(guò)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(wú)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(guò)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(wú)紡纖維層代替原來(lái)的聚萘二甲酸乙二醇酯,界面融合較黑膠好,但仍然無(wú)法解決不同物質(zhì)之間的徹底融合問(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)程，不發(fā)生用錯(cuò)極耳膠正反面的問(wèn)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(guò)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(guò)0.2mm時(shí)，其臺(tái)階厚度超過(guò)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(wú)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(guò)極耳將電引出來(lái)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(guò)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(lái)銅絲為保險(xiǎn)起見(jiàn)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(wàn)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(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)焊頭給極耳箔片施加一定的壓力，然后開(kāi)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)