軟包電池組裝工藝流程

核心概念： 軟包電池的核心是將正極、負極、隔膜卷繞或疊片后，注入電解液，用鋁塑膜封裝而成。其特點是形狀靈活、重量輕、能量密度高，但也相對嬌氣，對工藝要求嚴格。

完整詳細組裝流程 (以疊片工藝為例)

階段一：材料準備與極片制作

1. 材料準備：

• 正極材料： 通常是鋁箔（集流體）上涂覆正極活性物質（如鈷酸鋰 LiCoO?、三元材料 NCM/NCA、磷酸鐵鋰 LiFePO?）、導電劑（炭黑）、粘結劑（PVDF）。

• 負極材料： 通常是銅箔（集流體）上涂覆負極活性物質（如石墨、硅碳復合材料）、導電劑、粘結劑（SBR+CMC）。

  

• 隔膜： 多孔聚合物薄膜（PP/PE/PP三層復合），允許鋰離子通過但隔絕電子。常用陶瓷涂層隔膜提升安全性。

• 電解液： 鋰鹽（如 LiPF?）溶解在有機溶劑（EC, DMC, DEC, EMC 等混合物）中。（劇毒、易燃！）

• 鋁塑膜： 外層尼龍（耐刮）、中層鋁箔（阻隔水氧）、內層 PP（熱封層）。有預制沖坑（容納電芯）和邊封、頂封區域。

  

• 極耳： 金屬引線（正極用鋁，負極用鎳或銅鍍鎳）。

• 輔助材料： 膠帶（固定極耳、保護邊角）、絕緣膠帶、干燥劑（可選）、頂封板（金屬或塑料，保護極耳引出區）。

• 實例： 組裝一個 3.7V 標稱電壓、容量約 2000mAh 的軟包電池。正極選用 NCM622 材料涂覆鋁箔（厚度約 15μm），負極選用人造石墨涂覆銅箔（厚度約 10μm），隔膜選用 16μm 陶瓷涂層 PP/PE/PP 復合膜，電解液選用 1M LiPF? in EC:DMC:EMC (1:1:1 vol%)。

  

2. 極片制作：

• 涂布： 將制備好的正負極漿料均勻涂覆在各自集流體上。

• 干燥： 在烘箱中分段升溫干燥，去除溶劑。（嚴格控制溫度和時間防止材料分解）

• 輥壓： 用精密輥壓機將干燥后的極片壓實，達到目標壓實密度和厚度，提高能量密度和導電性。（壓力過大可能導致極片脆裂）

• 分切： 將寬幅的涂覆箔材按設計寬度分切成條狀。

• 模切/沖切： 將條狀極片沖切成設計好的形狀（通常為矩形），并預留極耳焊接位置。

• 干燥： 極片再次進入真空烘箱徹底干燥（120°C 左右），去除殘余水分（至關重要！水分會與電解液反應產氣、腐蝕）。
  

• 實例： 正極片尺寸設計為 100mm x 50mm，負極片設計為 102mm x 52mm（負極比正極稍大，防止邊緣析鋰），極耳焊接位置在長邊中部。模切后極片在 120°C 真空烘箱中干燥 12 小時以上。

  
  
  

階段二：電芯裝配

1. 疊片：

• 在超低濕度環境（手套箱或干燥房，露點<-40°C）下進行。

• 按順序疊放：隔膜 -> 負極片 -> 隔膜 -> 正極片 -> 隔膜 -> 負極片 -> ... 通常以負極片開始和結束。（確保正負極片完全被隔膜隔開，無錯位?。?/span>

• 對齊邊緣，保證層疊整齊。

• 用膠帶在四角或邊緣固定初步疊好的“裸電芯”。

• 實例： 設計為 20層（10對），疊片順序：隔膜(底層)-> 負極 -> 隔膜 -> 正極 -> 隔膜 -> 負極 -> ... -> 隔膜(頂層)。使用耐高溫膠帶在四個角輕輕固定。
  

  
  

• 疊片關鍵控制點:

  
  

• 正負極對齊度→負極不能覆蓋正極，有安全風險

  
  

• 負極與隔膜對齊度→極耳方向，安全風險; 寬度方向，考慮負極膨脹問題

  
  

• 隔膜褶皺→安全風險

  

2. 極耳焊接：

• 將正極鋁極耳焊接到所有正極片預留的集流體鋁箔上（通常用超聲波焊接）。

• 將負極鎳極耳（或銅鍍鎳）焊接到所有負極片預留的集流體銅箔上（通常用超聲波焊接或激光焊接）。

• （確保焊接牢固，電阻低！虛焊是常見失效點）

• 焊接后，用絕緣膠帶（如聚酰亞胺膠帶）包裹焊接點及極耳根部，防止與鋁塑膜接觸短路。

• 實例： 使用小型超聲波點焊機，設定合適功率和時間，確保每個焊點牢固。焊后用 Kapton 膠帶仔細包裹焊接區域。

3. 入殼（鋁塑膜預封裝）：

• 將疊好并焊好極耳的裸電芯放入預制好沖坑的下層鋁塑膜中。

• 將上層鋁塑膜覆蓋其上，對齊邊封區域。

• 用熱封機進行 預封（側邊一封）：對除頂邊（極耳引出邊）外的三條邊進行熱封，形成一個留有注液口的“口袋”。熱封溫度、壓力、時間需精確控制。（封不牢漏液，封過度可能燙傷隔膜）

• 實例： 在手套箱內完成此操作。使用小型熱封夾具，設定溫度約 180-200°C，壓力 0.3-0.5MPa，時間 3-5秒，封合三條邊。

  

階段三：注液與密封

1. 注液：

• 在手套箱（充滿惰性氣體如氬氣，露點極低）中進行。

• 通過預留的注液口，使用精密注射器或注液泵，將精確計量的電解液注入“口袋”中。

• 注液速度要慢，保證電解液能充分浸潤極片和隔膜。（浸潤不良影響性能）

• 注液后，靜置一段時間（幾十分鐘到數小時），讓電解液自然滲透（稱為“陳化”）。

• 實例： 根據設計的孔隙體積計算注液量（約 2.5g - 3g 電解液）。用玻璃注射器緩慢注入。注液后靜置 1 小時。

2. 抽真空與預封（二封）：

• 抽出電芯內部和電解液中的微量氣體（空氣、水分分解氣）。

• 利用負壓促進電解液進一步浸潤。

• 將注液后的電芯放入真空腔（手套箱內或連接手套箱的過渡艙）。

• 抽真空至較低壓力（如 10Pa 以下），保持一段時間。目的是：

• 在真空或恢復常壓后（但仍在手套箱內），立即熱封注液口所在的邊（二封）。（確保密封前內部已無大氣）

• 實例： 抽真空至 5Pa，保持 30 分鐘。然后在手套箱內熱封注液口邊（頂封的一部分）。

3. 整形（夾具化成前）：

• 二封后，有時會用夾具（通常是兩塊平整的金屬板）夾住電芯，施加一定的壓力。

• 目的：使電芯內部結構更緊密，接觸更好；為后續化成時電芯膨脹預留空間，防止過度鼓脹影響后續封裝；使電芯外觀更平整。

• 實例： 使用兩塊平整的鋁板夾住電芯，施加約 1-2kg/cm2 的壓力，靜置數小時或過夜。

  

階段四：化成與老化

1. 化成：

• 將夾有夾具的電芯（或放入專用化成夾具）連接充放電測試儀。

• 進行第一次充電（活化）。以小電流（如 0.02C - 0.05C，即 40mA - 100mA 對于 2000mAh 電池）緩慢充電至特定電壓（如 3.8V - 4.0V，具體根據材料體系）。

• 核心目的： 在負極石墨表面形成穩定的 SEI 膜（固體電解質界面膜）。這層膜允許鋰離子通過但阻止溶劑分子通過，對電池的循環壽命、安全性、自放電至關重要。此過程會消耗部分鋰離子和電解液，產生氣體（主要是 CO?, CO, H? 等）。

• 實例： 在 25°C 恒溫箱中，以 0.03C (60mA) 電流恒流充電至 3.9V。

2. 排氣與終封（三封）：

• 化成產生的氣體會使鋁塑膜鼓起（氣脹）。

• 再次將電芯放入真空腔抽真空（或在手套箱內刺破一個小孔快速排氣），將產生的氣體抽出。（必須在惰性環境中操作?。?/span>

• 立即對頂封區域進行最終熱封（三封），完成鋁塑膜的完全密封。通常會將極耳區域（頂封）完全封死。

• 實例： 化成結束靜置幾小時后，在手套箱內用針刺破鋁塑膜鼓起處（遠離電極區域）排氣，然后立即熱封整個頂封區域（包含原注液口、極耳、排氣口位置）。

3. 老化：

• 終封后的電池在一定的溫度（如 45°C 或 25°C）下靜置儲存一段時間（幾天到幾周）。

• 目的：

• 讓 SEI 膜進一步穩定和熟化。

• 使電池電壓、內阻趨于穩定。

• 篩選出有微短路、高自放電等缺陷的電池（電壓會明顯下降）。

• 實例： 在 45°C 烘箱中靜置老化 7 天。每天監測電壓，剔除電壓降超過 10mV 的電池。

階段五：檢測與分選

1. 最終檢測：

• 外觀檢查： 封裝是否完好、無褶皺、無破損、無漏液、極耳無損傷。

• 尺寸/重量檢查： 是否符合規格。

• 開路電壓檢查： 是否在預期范圍內（老化后穩定）。

• 直流內阻測試： 使用內阻測試儀測量。

• 容量測試： 進行標準充放電測試（如 0.2C 充放電），確認實際容量是否達標。

• 自放電測試： 測量儲存一段時間（如7天）后的電壓降。

• 必要時進行更嚴格測試： 如循環壽命測試、倍率性能測試、安全測試（針刺、擠壓、過充過放等 - 僅限專業實驗室！）。

• 實例： 用萬用表測 OCV ≈ 3.6V。用電池測試儀以 0.2C (400mA) 恒流充電至 4.2V，恒壓至電流<0.05C，靜置5分鐘，再以 0.2C 恒流放電至 3.0V。記錄放電容量（應接近 2000mAh）。

• 總結
  
  

  關鍵步驟	核心目標	學生實驗重點關注點	常見問題警示
  1. 材料準備與干燥	獲取合格材料，徹底去除水分	手套箱是核心！  所有材料入箱前必須充分真空烘烤。記錄烘烤溫度和時間。	水分是死敵！  水分殘留→產氣鼓脹、腐蝕、性能劇降、危險。
  2. 極片制作	制作尺寸精確、無毛刺、干燥的極片	模切后檢查邊緣毛刺(顯微鏡)。小片手工涂布難度大，可購買預切商用極片。	毛刺刺穿隔膜→短路；極片脆裂→掉粉內阻增大。
  3. 疊片與焊接	精準對齊疊放，牢固焊接極耳	層數少些(如5層)練習。對齊是關鍵！ 負極包住正極。焊接后 絕緣包裹必須到位！	錯位→邊緣析鋰短路；虛焊→高內阻發熱；焊點外露→鋁塑膜短路。
  4. 入殼與預封	電芯入袋，三邊熱封牢靠	手套箱內操作。熱封參數(溫度/壓力/時間)需小樣測試優化。確保封口區絕對清潔干燥。	封不牢→漏液漏氣；封燙過度→隔膜損傷；封口污染→失效。
  5. 注液與浸潤	精確注入足量電解液，充分浸潤	嚴格防護！  通風櫥+手套+護目鏡+面具。慢注！靜置+抽真空輔助浸潤。計算好注液量。	注液不足→性能差；注液過多→鼓脹；浸潤不良→局部失效；電解液接觸→ 危險！
  6. 二封與整形	抽真空排氣，封注液口，加壓整形	抽真空要徹底(時間足夠)。封注液口 動作要快 (防進氣)。夾具壓力均勻適中。	真空不足/排氣不凈→氣脹；封口不及時→進氣失效；壓力過大→損傷電芯。
  7. 化成	小電流首充，形成穩定SEI膜	嚴格按規程！  小電流(0.02C-0.05C)。電壓上限寧低勿高。監控溫度。夾具保持壓力。	電流過大/電壓過高→SEI不良、析鋰(爆炸風險！)；無夾具→過度鼓脹。
  8. 排氣與終封	排出化成氣體，完全密封電芯	手套箱內操作！  快速刺破排氣→立即終封。確保頂封完全密封極耳和注液區。	排氣不徹底→成品鼓脹；終封不嚴→漏氣失效；操作慢→水汽進入。
  9. 老化與篩選	穩定SEI膜，篩選不良品	恒溫(如45°C)靜置數天。每日監測電壓。剔除電壓降大(>10mV)電芯。	高自放電電芯不剔除→后期故障；老化條件不當→性能不穩定。
  10. 檢測	驗證電池基本性能與安全性	測OCV、DCIR、基本容量(小電流充放)。外觀檢查封裝完整性。 記錄數據對比分析。	忽略外觀檢查→隱患；不測內阻/容量→性能不明；濫用測試→嚴禁！

組裝軟包電池經常遇到的問題 (學生實驗尤其需注意)

1. 水分控制不足：

• 問題： 極片、隔膜、電解液、環境中的水分未徹底去除。

• 后果： 電解液分解（LiPF? + H?O -> HF + ...），產生大量氣體（鼓脹）、腐蝕電極材料、消耗活性鋰、內阻增大、容量衰減快、自放電嚴重、甚至熱失控風險。

• 預防： 嚴格干燥所有材料（尤其極片真空烘烤）、在低露點手套箱中操作（露點<-40°C）、電解液密封儲存和使用、縮短物料暴露在空氣中的時間。

2. 粉塵與異物：

• 問題： 環境或操作引入的金屬屑、灰塵、毛發等。

• 后果： 刺穿隔膜導致內部微短路（自放電大）、或引發熱失控；增大內阻。

• 預防： 保持操作環境清潔（無塵臺/室）、穿戴無塵服/手套/帽、使用潔凈的工具和容器、定期清潔工作區域。

3. 封裝不良：

• 問題： 熱封溫度/壓力/時間不當，鋁塑膜本身有缺陷，封口區域有褶皺或污染（電解液、粉塵）。

• 后果： 漏液（電解液滲出，腐蝕、危險）、漏氣（空氣/水汽進入導致失效加速）。

• 預防： 優化熱封參數（多做小樣測試）、確保封口區清潔干燥、選用質量可靠的鋁塑膜、檢查封口強度和密封性（可做氦檢漏）。

4. 焊接不良：

• 問題： 極耳與集流體虛焊（焊接強度不足、接觸電阻大）或過焊（焊穿集流體）。

• 后果： 內阻增大、發熱嚴重、容量發揮不足、循環壽命短、甚至在使用中斷路/起火。

• 預防： 優化焊接參數（功率、壓力、時間、振幅）、保持焊接面清潔、選用合適的焊頭、進行拉力測試抽查。

5. 電解液問題：

• 注液量不足： 浸潤不良，部分活性物質未參與反應，容量低，極化大。

• 注液量過多： 增加成本，可能導致封裝困難或高溫下鼓脹更嚴重。

• 注液浸潤不良： 即使注液量夠，但未充分浸潤到電芯內部。導致局部反應不均，性能差。

• 電解液分解/變質： 暴露在空氣中或混入雜質。

• 預防： 精確計算和稱量注液量、優化注液工藝和靜置/抽真空工藝促進浸潤、嚴格在惰性環境中操作和保存電解液。

6. 短路：

• 問題： 正負極直接接觸（疊片錯位、隔膜破損、毛刺刺穿隔膜、金屬異物）、外部短路（工具觸碰正負極耳）。

• 后果： 瞬間大電流、發熱、起火爆炸（最危險！）。

• 預防： 仔細操作確保無錯位、檢查隔膜完整性（無針孔、無大褶皺）、徹底清除毛刺和粉塵、操作時使用絕緣工具、避免任何金屬物體同時觸碰正負極耳、裝配后測量絕緣電阻（正負極與鋁塑膜間應>10MΩ）。

7. 化成問題：

• 問題： 化成電流過大、充電截止電壓不當、溫度控制不好。

• 后果： SEI 膜形成不良（太厚或不穩定）、產氣過多、甚至析鋰（鋰金屬沉積在負極表面，非常危險?。?。

• 預防： 嚴格按照材料體系要求設置化成制度（小電流慢充）、控制好溫度、確保夾具壓力均勻。

8. 鼓脹：

• 問題： 化成產氣過多未排凈、老化或循環中副反應持續產氣（水分、雜質、過充過放、高溫）、封裝不良漏氣后內部壓力變化。

• 后果： 外觀不良、性能下降（接觸變差）、安全隱患（內壓過大可能破裂）。

• 預防： 嚴格控制水分雜質、優化化成制度、確保充分排氣和良好終封、避免電池濫用（過充、過放、高溫）。