王宜金:聚合物電池抗跌落性能解決方案—HMA粘接

圖為東莞市澳中電子材料有限公司王宜金

 　　王宜金：這個裡面包含了四項內容，一個是開發的背景，一個是應用案例，還有產品性能。

　　剛才有專家在講，電池的安全性能方面從Pack方面來下手，實際上從電芯內部也有很多的工作可以做。我們常常都會遇到這樣的問題，我們的手機或者是電子產品，掉到地上以後，或者是其他的不小心衰落以後會產生一個問題，拿起來以後開不了屏了，這種情況下並不是說是整個機器發生了問題，實際上是因為它電芯的問題，電芯在裡面已經成了一個玻璃芯了。

　　在整機跌落以後經常會遇到一個問題，就是說沒有電壓輸出，嚴重一些的還會遇到什麼問題？冒煙、起火漏液、腐蝕等等這些問題。在這裡我們可以看到的圖片是常見的，發生內短路以後他們進行了一些起火方方面的問題，現在有很多低品牌的一些社，他用的電芯不太好的話，偶爾還會聽到說，摔過以後爆炸的一些情況。

　　我們主要是針對這方面做了一些工作，隨著現在的電子產品的發展，對於電芯跌落的一個標準，實際上也是越變越嚴了。目前我們所看到的這個是國內比較具有代表意義的一家公司跌落的一個標準的變化。

　　在2015年5月份以前，實際上我們可以看到，它的標準是0.3米、0.7米、1米、1.2米、1.4米，在這個情況下跌兩輪，再加上不可以有著火的情況，再往後就變成了跌5輪了，這種情況下不可以有短路、發熱、著火等不良情況。

　　在前一年的情況，這些標準在我們整個的鋰電池生產體系裡面，應該是沒有幾家敢真正做到的，大家在樣品階段可以做到，真正到應用階段可以做到的是極少的。

　　在這個方面大家也需要做一些工作，在跌落之後現在又增加的一些新的對安全方面的一些要求，就是滾筒測試，這個滾筒測試就會更嚴格一些，原來是0.5米，要循環100次，到現在這個，也是除了不允許有短路、起火、發熱等現象發生。

　　目前這個圖片是電芯滾筒測試比較常用的一些設備。

　　我們可以看一下，在跌落的情況下，聚合物電芯常發生的問題是什麼？實際上在跌落的這種情況下，42%左右會出現沒有輸出的情況，這由於我們常見的手機掉地上之後再拿起來不能打的情況，另外就是外面的鋁箔破損，還有裡面的鋁箔破損，再就是瘴氣、變形等情況，這種情況會導致什麼問題？沒有輸出頭部會短路，另外一個是鋁箔撕裂了以後，隔離膜破損。我們搞電池的大家也都知道，電池最怕的就是短路，一旦短路了以後，電流就會變得非常大，發熱、起火、爆炸，什麼事都來了，除了這些之外，還會產生一些頂峰的衝開，這些就會導致電解液溢出來，這樣我們在使用電池的時候就會產生腐蝕的問題。

　　我們來看一下這個結構，其實裸電芯和外面的包裝鋁箔之間是沒有任何固定措施。沒有固定措施，在裸電芯的收尾部分往往還會貼綠膠。這個裡面要做電解液進去，本身這個裸電芯和包裝鋁箔之間就沒有什麼固定的措施，這樣鋁電芯就會來回運動了，這樣就會造成很多的安全問題。

　　解決這個問題說起來也很簡單，就是怎麼樣把裸電芯跟包裝鋁箔之間固定住，但是固定住又需要不應該現在電池的生產工藝，否則的話這個代價就有點大了。

　　實際上這裡是貼了一些膠紙的，為了不影響原有的生產工藝，我們就開發了熱能型的膠帶，膠帶外觀跟原有的綠膠是沒有什麼區別的，所不同的是，我們充分利用了鋰電池生產過程裡面的一個工藝。

　　我們看一下上面的圖片，經過熱壓以後，它這個膠的寬度比以前寬了很多，這裡又會有一個什麼問題？我們知道電芯裡面的一個結構設計不是一個完全平的平面，這種情況下熱壓的平整度都會受到一定的影響，這種情況先有可能會產生的是，一邊的膠出的多，一邊出的少。

　　我們通過放大鏡來看，就是電池外觀的要求比較高，為了解決這個問題，就需要開發雙面型的膠帶，如果用直接的雙面膠可不可以，除了性能不好之外還會有一些問題，雙面膠兩面都是黏性的，如果用直接有黏性的這種，入殼的時候會有一個問題，一旦入的位置不對，或者需要輕微移動的時候，在這個時候就移動不了了。在這個情況下我們就需要來解決這個問題，把一面設計為有黏性的，直接貼在機組上面，另外一個是在正常的狀態下是沒有黏性的，它是需要高溫高壓以後才可以發揮黏性的，來實現它既能夠把裸電芯和外面的包裝鋁箔固定在一起，又能夠不影響它正常的工序使用這樣一個目的。

　　這是這個產品的結構狀態，單面型的比較簡單，就是一層PT加了一個熱熔膠，中間加一層PET薄膜，下面加了一層保護層。通過高溫高壓這一道工序之後，它的黏性才可以發揮出來。

　　單面型基本上固定在80的厚度規格上，雙面型目前是16、23、25、50。優勢是單面型的工藝非常簡單，價格也便宜，但是劣勢是電池的外觀比較難控制。雙面型的外觀就會更好一些，粘接面積會更大一些。對於我們的製造工藝來講是會複雜一些的，造價相對來說就會高一些。

　　這是在鋰電池裡面的應用實例。這是取代了收尾的綠膠。電芯跌落測試通過率從10%提高到了95%。

　　這個膠是應用在電池的內部，對它的化學性能要求的會高一些，我們可以看一下，對主要的是要防止這種膠體能夠和電解液發生反應。在做這個方案的時候，我們主要是針對電解液來高溫浸泡這樣一個過程來對它進行確認。我們可以看到，經過長時間的一個高溫浸泡以後，它的電解液的水含量、黏度基本上都是穩定的。

　　除了這個之外，電池也會有耐溫方面的一些要求，這是我們現在對這個膠粘帶的一個分析結果，這個是250多度。我們認為在這個溫度情況下，熱穩定性是可以滿足的。

　　除了這個之外，要看它在電池長期的一個使用情況下，對循環狀況會不會造成影響？經過600個循環之後還遠遠高於了80%這樣一個標準。

　　在這個之外還會有一個對電池尺寸的影響要求。我們也知道，電子部件對尺寸的要求越來越嚴，電芯現在比較高的要求是在600循環左右，它的膨脹不可以超過10%，現在目前來看，我們基本上是控制在8%以下，所以還是可以滿足使用要求的。

　　總結來說，終端對例電池的可靠性要求會越來越高。對這種跌落也好、材料的損傷造成的安全問題，大家的重視度也越來越高了。

　　謝謝大家！　　蔣濛：今天再佔用大家一點時間，跟大家分享一下我們中南創發在動力鋰電池工藝改善這方面都有哪些想法。

　　身邊用動力汽車的朋友越來越多了，當我們談到動力汽車的時候，我們首先想到的是什麼？就是一些非常炫酷的黑科技，除了這些黑科技以外，我們聽到的最多的抱怨是什麼？是不是續航裡程的一個焦慮症？可不可以快充？在冬天續航裡程直接減半，連加熱系統都不敢開，還是說成本仍然太高，買不起，還是漢高分享的，我們容易起火？

　　在今年3月份剛剛在東京舉辦的世界新能源大會上，其實來自於日本和韓國的幾家大的鋰電公司也想了一些解決方案，大家不約而同的把方法集中在了兩點，一個是新的材料體系、一個是新的模組結構。

　　我們看一下，大家在手尾環節其實是下足的工夫，但是中間好像缺少了一點什麼，作為一款產品來說不同於實驗室的地方就是說他要把它製造處理，我們可不可以在製造工藝上做一些方案，在製造上進行一些革新，同樣來提高鋰電池的一些性能？

　　今天我們中南國際就是想跟大家談論一下我們在PVD上面的一個思考。什麼是PVD？其實用學術的話來講就是物理氣象沉積，或者叫物理磁共建設。你要有一個把材，把這個材料建到你需要鍍的基材上面去，形成一種薄膜。

　　其實它就是一種成膜技術，或者叫做界面改善技術。其實對於電芯來說，它發揮性能或者是遇到問題，其實都是各個界面的一個累加，比如說急流體和電極的界面，電極和電解液的界面，我們既然有了一個界面處理的工藝，我們就可以去發揮我們的想像力，對它來進行一個改善。

　　我們為什麼會想到用PVD的方法？其實中南創發在PVD這個行業已經積攢了十幾年的經驗。我們伴隨著像蘋果、華為、古馳上，我們伴隨著他們走了很多年。我們在想，可不可以把成膜技術運用現在大家都很希望推廣的鋰電池上？

　　今天跟大家分享的是，到目前為止我們用PVD的方法在電芯改善上有了什麼樣的成果？首先是急流體界面的改善。大家看到的，左邊這幅圖就是傳統的一個塗附工藝，是把塗布機塗在了塗抹上，PVD的方法是在電極和急流體之間加一個過渡層，這個可以是各種材料的。

　　這個過渡層有什麼特點？首先，它的厚度是可以被精確管控的。我們可能會在一些鋁箔上觸一些導電的塗層，但是這個厚度是不可控的，會佔用我們的一些體積和質量、能量、密度，同時也會因為它裡面有膠體，導致這個性能不是很好。

　　對於這個過渡層的微結構是可以被設計的，怎麼講？PVD還分高頻、中頻跟低頻，我們可以分不同的頻段，我舉一個簡單的例子，我們如果拿石墨作為把材，我們可以把它原有的一種層狀的結構改變成一個無定型的結構，它很像在鋰電界很有名的硬碳，它有很多的優勢，但是成本過高，我們有這樣一個硬碳層，我們就可以去做很多的東西。硬碳本身的克容量也是很高的。

　　硬碳本身不像石墨，是一個平的放點曲線，你加進去以後，整個電芯的放電平臺是傾斜的。

　　當時特斯拉選松下電芯的時候，很多人都測過了，松下的電芯放電的情況也是微斜的。

　　3、它可以有比較好的粘接性，我們也拆過很多大公司的電池，在多個循環之後，負極很容易從銅箔上脫離下來，這個會嚴重的影響到電極的循環壽命。我們是幫蘋果這邊做了十幾年的工作，但是現在手上拿到的蘋果手機，外面的功能度和裝飾度都是出自我們家。大家可以感受一下，這個鍍層也是絕對刮不掉的。

　　我們在展臺上放了我們矽氧極的樣品，這個很亮，像鏡子一樣可以照到自己。

　　2、用來改善電極和電解液的界面。這個地方我們想到了一個點子，在電極的表面進行一個補理工藝，其實補理這個技術已經不是非常新了，在很早之前日本的一些專家就提出來了，包括現在的新能源，一些大的鋰電公司，其實也曾經嘗試過在極片表面進行一個補理，因為它的優勢比較多，我後面會講。他們大部分的方式都是在極片的表面像撒麵包屑一樣撒上去。

　　鍍鋰什麼好處？就是補充一些鋰源，電芯出了很多問題，都是因為它最後缺鋰了，鋰在循環的過程中有的會被變成死鋰，或者是被消耗點，補充這個鋰是可以提高性能的，同時也可以提高電池的容量。

　　大家都想要在負極用矽，矽有一個致命的缺點，就是首次效率非常低，我們用PVD補鋰以後可以把首次效率提高很多。另外一個是增強電芯的循環壽命。

　　這個是我們做的一個提升容量的一些數據，我們容量在PVD補鋰之後大概可以提高到6%以上。

　　這個是用不同的正極，我們矽陽極的首次效率也可以提高到6%這樣的一個水平。

　　這個是增加了補鋰之後矽的循環壽命可以提高大概300周，這還是在實驗室的級別上，真正做成圓柱電芯化會更好。

　　3、它是可以精確設計的，對於不同的鋰電池來說，你想補充多少的鋰，補在什麼樣的位置，你都可以通過前期的設計來操控。也就是說工程的極限是可以被我們掌握的。

　　量產方面的優勢，其實很多公司也曾經嘗試過來做補鋰，但是大家都知道，他們買的鋰粉本身的顆粒就是幾個微米，你再用撒的方式，這樣就很難容易我們現在鋰電池所要求的一致性。

　　我們和現在中國最大的鋰把材的供應商來進行合作，他們也幫我們來優化鋰把的精度和純度。

　　這個是我們補的鋰的一個樣品，大家可以看到，我們專門兩了一半，是補鋰前後的對比，底下是石墨，上面是鋰的鍍層。

　　這個是凹版印刷，如果我們對供應商要求說，你把陶瓷層的厚度減少在1.5微米以下，它是不敢給你保證的，這是凹版印刷本身的一個製成工藝的局限性。

　　陶瓷層材料的選取。今天說的陶瓷，其實說來說去都在說三氧化二鋁，為什麼只用三氧化二鋁？他們的回答是這樣的，目前三氧化二鋁是唯一可以配成顆粒為一微米的均勻漿料的材料，其實三氧化鋁不是一個最佳的選擇，我們可以用更好的陶瓷材料，無論你是多麼好的材料，即使是日本的工藝，它也會或多或少的出現掉粉的問題。

　　如果用PVD的方法有什麼好處？我們用的是高頻的PVD的方面，我們可以減少厚度、減少發熱，第二個我們也可以選擇一些其他的陶瓷材料。在做材料鍍層的同時去考慮用一些負極，比如說現在很流行的氧化啞矽。

　　最後的最後，這個跟大家分享一下我們另外一個工藝，這個工藝叫做噴塗印刷的方法來注電解液。我們是用在右上角的這種噴頭很像我們印報紙的印刷噴頭。這個方法已經成功的應用在英國公司的鋰硫電芯上。我們接下來要做的是把它運用在我們比較稀釋的電解液上。

　　最後想跟大家分享的是，剛才提到的這兩項工藝最漂亮的地方，就是他們和其他電芯廠的，不管是設計還是材料配方的選取上都不矛盾，他是起到了一個修飾的作用，可以幫你解決一切生產的短板，對於鋰電池或者是動力能源這一塊，只有把各家的優勢結合在一起，我們才能真正解決動力電池的推廣瓶頸，才可以迎來我們心臟一個強大的跳動。    

 

 

　　提問：蔣博士我想提兩個問題，這個鋰是壓在真空下去噴鍍，其實你不是連續性的一個噴鍍方式？

 

　　蔣濛：我們有一個大概40米×40米的卷對卷的噴塗機，既可以是微真空的狀態，也可以連續生產。

 

　　提問：你如果要加鋰的話，鋰是在增壓以後？你這個工藝是能夠在連續的情況下去做的？

 

　　蔣濛：我們不是連續滾動的，是步進的，但是它是可以做成捲成卷。

 

　　提問：你不用切成極？

 

　　蔣濛：不用。

 

　　提問：如果把這個噴鋰加上去的話，這個生產成本會增加多少？

 

　　蔣濛：我們跟很多車廠談的時候，也是很多車廠非常關心的問題，我們現在做到的是，用了PVD，剛才上面提到了三種PVD的方法，我們曾經評估過，如果這三種方法全部都使用上去的話，我們單個電芯大概會增加3到5毛錢。

 

　　提問：你的蒸度的速度可以多快？一分鐘可以蒸度多少米？另外是蒸度均勻性的問題？

 

　　蔣濛：蒸度隨著是可調的，我們目前沒有優化最優的走速比，我們也在研究不同的度層厚度與性能之間的關係，我們這個度層的厚度取決於我們的電壓，包括我們的功率，以及時間。時間其實跟我們的速度是比較相關的，目前沒有最優的速度給到你這邊。

 

　　提問：怎麼穩定鍍上去的鋰？

 

　　蔣濛：我們鍍上去的鋰跟空氣和水是比較敏感的，在轉接到下一個工藝之前我們會在槍體裡面進行另外一個氣體，在鋰離子表面形成一個防護層。關於氣源我就不方便多講了。

 

　　提問：是不是二氧化碳？

 

　　蔣濛：不是二氧化碳，但是是含碳的氣源。

 

　　提問：鍍完了以後，你這個電池會有電壓，後面對你的生產有沒有影響？

 

　　蔣濛：目前我們看到的實驗結果是沒有什麼太大的影響的。

 

　　提問：有電壓吧？

 

　　蔣濛：是比較正常的反應。上去之後已經不是純的金屬鋰了，它是鋰的一種化合態。